本文是一篇土木工程论文，本文从土壤微观结构和粒径分布特征出发研究冻结土体的水分特征，通过构建界限含水率理论模型判定融化土体水分类别，并基于冻融滞后理论解释不同阶段的滞后特性。
第一章绪论
1.1研究背景与意义
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冻土是气候年、日变化影响下广泛分布于地球表层的一种含冰土岩。随着环境温度降低，地面与大气间的热交换作用导致土层温度不断降低，其最终产物即为冻土[1]。作为一种低温地质土体，冻土的特殊性主要体现在它的热敏感方面[2]。冻土中冰相的存在无疑使其性质与温度紧密关联，且随季节交替呈动态变化特征。根据存在时间长短及冻结作用深度，通常将只在地表浅层范围发生夏融冬冻的冻土称为季节冻土，将浅层以下多年不化的冻土称为多年冻土[3]。多年冻土主要分布在环北极地区以及中、低纬度的高原山脉地带，如我国的青藏高原、东北大小兴安岭等地，而季节冻土则广泛分布于高纬度地区[4,5]。
我国是世界第三冻土大国，多年冻土、季节冻土分布面积分别占我国国土面积的21.5%和53.5%[6]。冻土区相当于一座庞大的资源宝库，其内部蕴藏着极为丰富的森林和矿藏资源，无疑可为推动人类经济社会发展、服务资源储备战略目标提供新着力点。因此，对冻土区物质资源的开发利用任务迫在眉睫。随着“丝绸之路经济带”、“西部大开发”等国家顶层战略的深入推动与实施，以及我国内蒙古、新疆、西藏等边疆地区经济发展的迫切需要，越来越多的基础设施建设活动将在多年冻土与季节冻土地区开展。然而，在气温年周期波动影响下，反复冻融的季冻区地表土层频繁出现冻胀融沉变形，严重威胁着冻土区各类建筑设施的安全运营[7,8]。
冻融作用是研究寒区土体水-热-力学特性与生态水文特征的关键[1,9,10]。冻融过程中季节活动层地温分布动态变化，导致季节冻融层与下伏土层的水力联系强弱不定，最终又反作用于区域乃至全球的气候形成[1]。地层岩性、含水量以及地形特征等因素综合影响下，季节冻融特征整体上满足纬度和高度地带性分布，同时在局部区域又各有差异。冻融作用也可理解为一种强风化作用[11-13]，对土体的物理力学性质影响显著，这可由冰胀挤压孔隙导致土骨架传力体系改变来定性解释。其中，比较统一的结论主要集中在土工物理性质方面，而与土体力学行为相关的研究由于冻融条件及力学试验方法差异暂未形成统一结论[14]。
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1.2国内外研究现状
1.2.1冻结土体水分特征
一般将土体冻结过程中未冻水含量与温度之间的关系曲线称之为土体冻结特征曲线（SFCC）[20,27-29]。SFCC是研究未冻水变化特性的基本切入点[30]，是反映冻土水分迁移及其驱动力的重要参数[31]。因此，要揭示冻土的热-水-力学特性以及探讨未冻水迁移的动力势等问题，就必须从SFCC入手。要获取SFCC，主要有试验仪器测量和建立模型预测两种方式。
SFCC的试验测量方法主要有量热法、时域反射法、频域反射法和核磁共振法。量热法[32]主要利用冻土试样与正温量热水达到温度平衡时的热交换量建立热力学平衡方程来计算未冻水含量，是早期极为经典的测量方法[33-35]。时域反射法[36]是一种通过测量电磁波在土壤介质中的传播速度来获得土壤介电常数，再利用标定曲线（即未冻水含量与土壤介电常数之间的函数关系）反映未冻水含量的方法，目前已得到广泛运用[37-39]。频域反射法[40]是根据电磁波在不同介质中振荡频率的变化来测定土壤介质的介电常数并以此计算未冻水含量，由于既具有时域反射法的优点，同时又规避了易受信号、电容等不利因素干扰的影响，所以得到不少研究者[41-43]的关注。核磁共振法[17]是一种通过获取氢原子核横向弛豫分布直接确定水分含量的方法，其在冻土工程领域有着大量的运用[44-47]。此外，中子仪法[48,49]，伽马射线衰减法[50]，气体膨胀法[51]等也为测量未冻水含量提供了更为丰富的选择。即使忽视各测量方法原理上的差异，通过实验手段获取未冻水含量的方法仍然存在较大的不足：首先，未冻水含量的测量通常昂贵又较为耗时，其次又受到试验条件和土壤类别的限制，最为关键的是无法将测量得到的数据结果作为连续参量直接用于各类数值模拟计算。因此，建立未冻水含量的参数化模型就成为获取SFCC的另一种极为重要的方式。
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第二章基于微观结构的冻结土体水分特征研究
2.1引言
众所周知，孔隙水是影响融土物理特性、压实性及动力特性的重要因素。当孔隙水含量发生变化时，土体会依次从固态渐变至半固态、可塑状态以及流动状态，抗剪强度也随之降低，对土工性质带来极大的不稳定性；同时，水的渗流作用[75]也在极大威胁着构筑物或地基的稳定条件，例如管涌、潜蚀现象等，可导致地表坍塌并造成房屋建筑等难以修复的严重破坏。而在冻土区，由于颗粒的表面吸附作用和孔隙的毛细特性，已冻土体内仍然保持有一定数量的液态水，称之为未冻水[91]。这些未冻水与温度之间保持着动态平衡的关系，未冻水含量的任何变化都能引起土壤的热-水-力学特性的剧变[98]。作为土体发生冻融的物质基础，未冻水主要发生水冰相变和水分迁移两种变化[99]。水相变成冰产生的体积膨胀会破坏土体孔隙结构，继而改变寒区土体水文生态参数并进一步导致寒区水文渗流特征变化[100]；而水分迁移至地表后产生的分凝冻胀[101]，已成为威胁寒区构筑物安全的主要因素之一。因此，深入研究未冻水的存在机理，探索未冻水含量的影响因素对于指导寒区工程建设和加强生态环境治理具有重要意义。
基于已有理论研究，本章对毛细水与吸附水的赋存特征开展分析，将土体微观孔隙结构进行概念化处理，在考虑单个颗粒周围不同水分含量变化的基础上推演整个土体的冻结特征。其中，首次在毛细水含量的计算过程中嵌入水膜理论，将吸附水膜厚度与毛细水含量的变化建立必然联系，构建以土体各物性参数为依据的冻结土壤体积未冻水含量理论模型。并在完成数据验证的基础上，研究干密度变化对毛细水含量的致变影响以及冻结过程中不同类别水分的变化特征，并以土粒间四种不同的接触类型为例，探讨土粒间接触模式的差异对土粒周围毛细水极限含有量的影响。
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2.2土体冻结过程
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如图2-1中蓝色部分所示，土体冻结过程可分为五个阶段：AB、BC、CD、DE和EF段[91]。
AB段为稳定降温阶段，B点温度低于0°C，但由于土体孔隙水的过冷效应，整个AB阶段并没有发生冰水相变，土-水系统的整体比热容基本恒定（忽略温度效应对同一介质比热容的影响）。因此，当土-水系统与外界热能交换量在单位时间内保持不变时，AB段曲线可近似为一条斜率为负的直线。BC段为温度跳跃阶段，随着冷却装置温度持续降低，孔隙水相变成冰释放出大量的相变潜热，使得土-水体系温度暂时性升高，整个过程历时极短，BC段曲线可近似为一条斜率为正的直线。CD段为恒温阶段，在此阶段，土-水体系从外界吸收的冷能与孔隙水相变成冰释放的相变潜热相等，此时土-水系统温度保持恒定，CD段曲线可近似为一条斜率为0的直线。DE段为降温速率逐渐增大的降温阶段，在BC和CD阶段，主要是土-水系统中自由水和毛细水大量相变，在DE阶段发生冰水相变的主要为孔隙中的吸附水，土体中孔隙水相变速率越来越慢；同时，由于孔隙中冰晶体的大量生成，土-水系统的比热容较未冻状态时降低（冰的比热容小于水的比热容），系统的降温速率会逐渐增大，故DE段曲线可近似为一条切线斜率逐渐减小的曲线。EF段为稳定降温阶段，在E点前，土体中的自由水、毛细水和弱结合水已全部冻结，由于土颗粒表面强烈的吸附力作用[102]，强结合水在此温度区间几乎不发生冰水相变，土-水系统比热容保持不变。因此，当土-水系统与外界热能交换量在单位时间内保持不变时，EF段曲线可近似为一条斜率为负的直线。由于冰的比热容小于水的比热容，EF段直线的斜率应小于AB段直线的斜率。
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第三章基于双电层理论的融化土体水分特征研究............................31
3.1引言..............................31
3.2土体融化过程....................................32
第四章冻融过程中土体水分滞回特性及机理研究............................48
4.1引言.....................................48
4.2土水系统冻融滞回特性................................49
第五章结论与展望...........................63
5.1主要结论................................63
5.2展望....................64
第四章冻融过程中土体水分滞回特性及机理研究
4.1引言
土体冻融特征曲线也是冻土中水、热、质迁移的理论研究和数值模拟的重要依据[129]。试验表明[18-20,130]，土体的冻结特征曲线与融化特征曲线并不重合，即在同一负温条件下，冻结过程中的未冻水含量总是高于融化过程中的未冻水含量，这就是冻融过程中未冻水含量的滞后现象。
关于土体冻融特征曲线滞后现象的机理，不同研究者说法不一。已有研究主要从以下三方面对冻融过程土体未冻水含量滞回现象进行了研究：①通过对冻融过程中土体未冻水含量随温度变化的试验研究，指出土体未冻水含量随温度的变化关系在冻结和融化过程中存在明显的滞回现象，并从土体基本物理性质、孔隙细微观结构和外部环境因素等方面对滞回原因进行了解译。土体冻融过程中未冻水含量滞后现象受土质、压力和温度等因素影响，同时，土体孔隙间连接孔喉尺寸的差异也是引起滞后的重要因素，并基于修正的克拉伯龙方程验证了温度和压力对未冻水含量滞后现象的影响[22,23,26]。②提出土体在冻融和干湿过程中水分滞后的机理存在相似性的观点，认为冻结过程类似于失水过程，融化过程类似于吸水过程，结合土水势理论对同一含水量情况下，干湿过程中多孔介质基质势和冻融过程中孔隙溶液相变温度的差异进行了阐释。冻结过程中孔隙水相变成冰，晶核的成核、生长与冰晶融化过程存在差异，由于孔壁边缘未冻水膜的存在，融化过程没有亚稳态过程，所以孔隙冰融化仅与孔径大小有关，与孔喉无关；冰晶生长过程中不同尺寸孔隙中冰晶通过毛孔通道不断生长、连通[131,132]。③基于Gibbs-Thomson方程和孔隙曲率定义，从孔隙溶液在冻结和融化过程中相变时自由能壁垒的角度分析了孔隙溶液的相变温度，构建了定量刻画冻融循环过程中土体未冻水含量滞回的半理论模型。孔隙水亚稳定和稳定状态之间存在自由能壁垒，孔隙溶液冻结温度可由孔隙表面积与体积比值来表示，融化温度可由孔隙表面平均曲率决定，给出了冻结温度与融化温度之间的比值范围为[0,2][89,91,99]。同时，从理论上证实了孔径和水分活度也是引起未冻水含量滞回现象的主要因素，并指出冻融滞后量随着孔隙尺寸的减小而减小[19,133,134]。
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第五章结论与展望
5.1主要结论
受气候环境影响，季冻区土体的水-热-力学特性极为复杂。冻融作用改变了土体的水热及渗流特征，对土工性质带来了极大的不稳定性，因而寒区各种病害频频。为充分认识土体的冻融过程及伴生现象，最终为解决寒区工程建设和生态水文调控所面临的问题提供理论和实践指导，本文以土体发生冻融的物质基础—土体水分为研究对象，聚焦于“冻结土体水分相变特征”、“融化土体不同形态水分边界”和“冻融过程未冻水滞回特性”三个问题，开展了一系列理论及试验研究，最终得到以下结论：
（1）冻结土体水分特性研究方面
冻结土体内部结合水含量明显高于毛细水含量，尤其在低温度段（如T＜-2°C）时，毛细水完全相变，存在水分只有结合水，对于非含盐土，此时土粒自身表面特性（比表面积、表面电荷密度）成为决定水膜厚度大小、继而影响未冻水含量的关键。
土体内部毛细孔隙通道的收缩变化对赋存于内部的毛细水存在显著影响。可用干密度来描述孔隙的变化特征，继而研究孔隙尺度与毛细水含量之间的关系。当干密度不断增大，毛细水含量将呈抛物线式变化，这主要归因于孔隙气相的排出和分子作用力的影响。同时，干密度对毛细水的作用影响也受到温度与粒径条件的约束，如温度越低，粒径越大，孔隙内的毛细水由于过早冻结，因而弱化了干密度条件的影响。
（2）融化土体水分特性研究方面
含盐条件可划分为两种类型，一种是盐溶液离子浓度，一类是盐离子种类，二者均对土壤持水能力具有显著影响。随着孔隙溶液离子浓度增大，更多反离子将侵入Stern层，产生电场屏蔽效果，加快扩散层内的电势降，最终导致土壤持水能力的降低。同时，二价离子的带电属性强于一价离子，同一浓度条件，二价离子对表面电位的屏蔽作用更强，更易压缩双电层的范围，使得同等土壤条件下土粒表面的吸附能力被大幅削弱。
参考文献（略）