季凍土水分遷移項目成果報告

1、吉林大學“大學生創(chuàng)新性實驗計劃”項目成果報告項目名稱 季凍土水分遷移過程中微觀結(jié)構(gòu) 特征研究項目編號 2008c63172項目負責人 王泉學院、年級、專業(yè) 建設(shè)工程學院06級工程地質(zhì)專業(yè)聯(lián)系電話子郵件wangquanl9870929sina. com指導教師姓名陳慧娥職稱 副教授填表日期2010年 4 月 15 日吉林大學教務處制凍土區(qū)具有不同于非凍土區(qū)的水文地質(zhì)與工程特征，在凍土區(qū)施工必須考慮凍土類 型、結(jié)構(gòu)和施工作業(yè)與修建物可能引起的凍土變形變化給工程造成的影響,凍土中的水分 遷移作為自然界水循環(huán)中的一個重要環(huán)節(jié)，其影響了凍土的很多重要性質(zhì),所以積極進行 凍土中的

2、水分遷移與土微觀結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究有著重要意義。項口的fi的即是研究長春市季節(jié)性凍土水分遷移過程屮微觀結(jié)構(gòu)的變化情況，項r 按照計劃順利進行。項目的成果：一 土室內(nèi)物理化學分析：（1）土粒度成分測定土粒度成分是土重要的基本性質(zhì)對季節(jié)凍土的凍脹具有十分重要的影響。土 顆粒越細，結(jié)合水膜越厚，凍結(jié)發(fā)生時，冰品從水膜吸進水分子，水膜變薄，形成“負 壓”，引起新的水分子遷移補充，造成冰晶增長聚集，引起凍脹，凍脹就是土在凍結(jié)過 程中，土中水分（包括土體孔隙中原有水分以及從外部遷移到土體來的水分，木次試驗 主要是原有水分）轉(zhuǎn)化為冰，引起土顆粒間相對位移，使土體積產(chǎn)生膨脹，是土微觀結(jié) 構(gòu)變化的宏觀體現(xiàn)。細粒土顆

3、粒細，土顆粒周圍結(jié)合水膜厚，凍結(jié)屮有足夠的水分遷移, 冰晶體聚集程度高，凍脹性強。粗粒土顆粒周圍結(jié)合水膜薄，凍結(jié)時能夠遷移的水分很 少甚至沒有，凍脹性降低。可見，土粒度成分是土凍脹過程中一個最有意義的研究因素。 由于凍脹多發(fā)生在細粒土中，所以我們主要關(guān)注細粒土的劃分。土中細粒組（v 0.075mm）含量人于或等于總質(zhì)量50%的土稱為細粒土。其中，根據(jù)粘粒（v0.005mm） 和粗粒（0.07560mm）含量的多少又分為粉土、粉質(zhì)亞砂土、粉質(zhì)亞粘土和粘土。顆 粒分析以長春市大安地區(qū)三支溝土作為試驗材料，將三支溝地區(qū)不同深度處取得的土樣 在不同溫度下煮，同時作了加入分散劑六偏磷酸鈉的測試并將測試結(jié)

4、果同未加分散劑的 相比較。（試驗數(shù)據(jù)見附表一）由表屮數(shù)據(jù)可知：長春大安地區(qū)三支溝土樣的顆分結(jié)果說明該區(qū)季凍土粒徑主要以 粉粘粒為主，在不同的溫度下加分散劑后粉粒組比重都有不同程度的降低，粘粒組含量 都有不同程度的提高，在距地表較深處所取得土樣這種現(xiàn)象更為明顯。由于隨著土粒徑 變細，土粒與水相互作用增強，當粉粒含量占主要組成時，凍脹性最強。而粘粒含量占 主要組成吋，雖然土分散性增加，顆粒自由能增加，顆粒與土中水作用增強，但不參與 土凍脹的強結(jié)合水含量也隨z增大，使土滲透性減弱，影響水分向凍結(jié)緣遷移聚集，故 凍脹性降低。（2）易溶鹽的測定易溶鹽的分析主要是測定易溶于水的鹽基的含量，包括鈉鹽、鉀鹽等

5、易溶鹽。這些 鹽類既可以呈固態(tài)，也可以液態(tài)存在于土中，而口經(jīng)常因為外部環(huán)境和成分的改變而相 互轉(zhuǎn)化，它們?nèi)芙庥诳紫度芤褐械年栯x子與土粒表面吸附的陽離子z間可以互相置換， 并處于動態(tài)平衡，因此易溶鹽的含量、成分和狀態(tài)及其變換對土粒表面結(jié)合水含量等有 較大影響。土中水溶液濃度是影響土凍結(jié)深度的主要因素之一，由于易溶鹽含量越高， 土凍結(jié)時起始凍結(jié)溫度越低，h在凍結(jié)過程中未凍水含量越多。（試驗數(shù)據(jù)見附表二）由表中數(shù)據(jù)可知：同一溫度下易溶鹽總量隨著土樣擊實度的變化不明顯，同一擊實 度下易溶鹽總量隨溫度的變化也不明顯。但對于易溶鹽分量中鉀離子的變化規(guī)律是，對 于相同溫度的條件下，鉀離子的含量隨著擊實度的提

6、高而提高，在相同的擊實度的條件 下，鉀離子的含量隨著溫度的降低而提高，同時鈉離子的含量占主要地位，但是鈉離子 的含量沒有上述規(guī)律，長春市大安區(qū)三支溝易溶鹽的含量大部分高于0.3%,易溶鹽含 量較高，水的冰點較低低導致土孔隙中未凍水較多易于引起水分遷移，從而引起凍脹改 變土的微觀結(jié)構(gòu)。（3）比表面積及陽離子交換量的測定土粒比表面積和陽離子交換對凍脹過程中土微觀結(jié)構(gòu)變化有很大的影響，一般來 講，土粒比表面積小，其表面吸附能力和陽離子交換能力也小，持水能力較差，不利于 薄膜水的存在與遷移，所以凍脹性弱，土微觀結(jié)構(gòu)變化弱；土粒比表面積大，其表面吸 附能力也增大，持水能力增強，薄膜水含量增高，因而在凍結(jié)

7、過程中成冰和水分遷移能 力也增大，所以凍脹性強，土微觀結(jié)構(gòu)變化強。對于陽離子交換與土壤中的水分關(guān)系理論已經(jīng)得到了一定的實踐驗證，陽離子的交 換作用使得土顆粒周圉形成較厚的結(jié)合水膜，從而降低了顆粒z間結(jié)合水的連接作用， 土顆粒間趨向于分散，因此陽離子的交換容量大致可以反映岀土顆粒礦物成分及分散程 度。（下表為長春市大安區(qū)三支溝土樣陽離子交換量）1234567平均值mmol/100g8.6517.660919411.17411.60712.82812.20310.474（其中1:三支溝下20cm> 2：三支溝下30cm> 3：三支溝下40cm> 4：示范區(qū)下30cm、 5：三支溝

8、下50cm> 6：三支溝卜100cm> 7：示范區(qū)無深度）土的比表面積可以表示岀土顆粒的分散程度。一般來說，土粒的比表面積與土粒大 小和形狀都有一定關(guān)系：粒徑越小比表面積越大，形成水化膜的能力越強。同時，比表 面積不僅受土粒的大小控制，土粒的形狀也是很重要的影響因素，球形顆粒的比表面積 最小，板狀或片狀比表面積最大。（下表為長春市大安區(qū)三支溝土樣比表面積）1234567平均值內(nèi)表面積（m2/g）18.177.379.1627.8924.279.7530.4518.15外表面積（m2/g）65.59103.79123.85109.8784.24130.81133.49107.38總表

9、啲積（m2/g）83.76111.16133.01137.76108.51140.56163.94125.53（其中1:三支溝下20cm> 2：三支溝下30cm、3：三支溝下40cm> 4：示范區(qū)下30cm> 5：三支溝下50cm> 6：三支溝下100cm、7：示范區(qū)無深度）由以上兩表聯(lián)合分析可知：陽離子交換量基本與比表面積成正比，即陽離子交換容 量越高比表面積越大，由文獻知長春市周邊地區(qū)土樣的總表面積平均在120 m2/g左右， 因此在利用比表面積與陽離子交換量這一指標來判斷該區(qū)凍脹性時，認為其凍脹性居 中。二地溫的測定：自2008年12月初至2009年4月，利用hb

10、4901智能多路巡檢儀對野外冬季凍土的 長期檢測。在野外長期監(jiān)測期間保證每五天測一次地下不同深度的溫度（深度變化范圉: 0.5m、0.75m、1.00m、1.25m、1.5m、1.75m、2.25m、2.75m）,并取樣在室內(nèi)進行土樣 含水率分析，匯總?cè)缦聢D所示：150. 5m0. 75ma 1. 0m1. 25m1. 5m i 1. 75m -e2. 25m2. 75m -地表三微觀結(jié)構(gòu)特征變化：研究土的微觀結(jié)構(gòu)一方面可以定性的說明土體某些工程特性的起源，從而解釋土體 某些特殊行為，另一方面可以通過數(shù)值處理得到微觀結(jié)構(gòu)與宏觀特性之間的定量關(guān)系， 從而深入了解土宏觀行為的微觀機理。土微觀結(jié)構(gòu)復

11、雜多變，具體研究內(nèi)容分成以下兩個方面：一，形態(tài)學特征，即結(jié)構(gòu) 單元體或孔隙的大小、形狀、表面特征及其定量比例關(guān)系，如結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的粒徑、 孔徑、周長、總面積及它們各自的平均值，結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的圓形度、橢圓度、矩形 度、三角形度等。二，幾何學特征，是指結(jié)構(gòu)單元體或孔隙在空間的排列狀況，如結(jié)構(gòu) 單元體或孔隙橢圓形長軸與x軸夾角、長軸在x軸上的投影長度、各向異性率等。在 試驗中形態(tài)學考慮的特征值是平均直徑，豐度，圓形度，平均形狀系數(shù)，幾何學考慮的 特征值是各向異性率、定向概率嫡、定向分維數(shù)。2008年12月初將水分遷移儀中的凍土土樣取出，進行微觀結(jié)構(gòu)影響因素指標的測 量，包括不同擊實度、不同溫

12、度下獲得的54個樣品的含水率；12個樣品的易溶鹽含量 以及12個樣品的掃描電鏡圖像。全部數(shù)據(jù)應該是同一溫度不同擊實度條件下以及同一擊實度不同溫度條件下共六 組數(shù)據(jù)，以下以兩組典型數(shù)據(jù)作為說明（以下為同一擊實度不同溫度條件下電鏡圖像及 其處理數(shù)據(jù)）平均直 徑豐度圓形度平均形狀 系數(shù)各向異性 率定向概率爛定向分維數(shù)3-303.0860. 5917150. 53190.7200950.4082850.913583531.146796293-802. 3640. 4787750.47350.67666850.5212250.913595731.146811613-1301. 1650.582330.

13、66480.90776040.4176760. 848935221.065645043-1701.410.5902780.62520.85664610. 4097220.939782341.17968293（3-30：密實度為95%,常溫，3-80：密實度為95% -5°c, 3-130：密實度為95%1o°c,3-170：密實度為 95% -15°c）密實度為95%5°c條件下密實度為95%常溫條件下密實度為95%10°c條件下密實度為95% -15°c條件下通過對上述條件下的電鏡圖像處理得到表格數(shù)據(jù)中的前四項表征的是土樣微觀結(jié)構(gòu)變

14、化的形態(tài)學特征，后三項表征的是幾 何學特征，其中：1、平均直徑表征的是顆粒及孔隙的大小，即以大小不等的各顆?；蚩紫兜拿娣e，然 后取面積等于某顆粒或孔隙面積的圓的肓徑作為該顆?；蚩紫兜钠骄翉健?、豐度表征的是二維平面中所展示的幾何形狀，試驗中豐度集中在0. 4-0. 6之間相 對集屮，土結(jié)構(gòu)單元體形狀以扁圓為主，長條狀和似圓狀較少3、圓形度表征的是孔隙接近圓形的程度，試驗中圓形度圍繞參數(shù)0.5左右變化，說 明孔隙也接近扁圓狀。4、平均形狀系數(shù)表征的是單元體或孔隙的形狀。5、各向異性率表征的是土結(jié)構(gòu)單元體或孔隙排列的整體定向特征。值越人，結(jié)構(gòu)定 向性越好，但不能很好地反映結(jié)構(gòu)單元體或孔隙的有序性

15、。試驗中凍后各向異性率值稍 有提高，說明在凍融循環(huán)過程中，結(jié)構(gòu)單元體定向性也有變好的趨勢。6、定向概率嫡表征的是單元體或孔隙排列的有序性，其值越大，結(jié)構(gòu)單元體或孔隙 的排列越混亂，有序性越差，反之越好。定向概率嫡有效彌補了各向異性率特征值的不足。試驗中定向概率爛雖然變化規(guī)律不明顯但是其值接近1,這說明單元體排列混亂, 有序性差7、定向分維數(shù)反映土孔隙的定向程度，定向分維數(shù)值越低，土孔隙的定向性越好; 定分維數(shù)值越高，土孔隙的定向程度越差，混亂度越大。以下為同一溫度不同擊實度條件下電鏡圖像及其處理數(shù)據(jù)擊實度為95% -5°c條件下?lián)魧嵍葹?0% -5°c條件下?lián)魧嵍葹?5%

16、-5°c條件下平均直徑豐度圓形度平均形狀系 數(shù)各向異性 率定向概率 爛定向分維 數(shù)1-800. 79750. 5442480. 72350.8690960. 4557520.88664951.1129862-804.2140.5177310. 54720.73033170.4822690.89654241.1254053-802.3640.4787750. 47350.67666850.5212250.91359571.146811表格數(shù)據(jù)屮的前四項表征的是土樣微觀結(jié)構(gòu)變化的形態(tài)學特征，后三項表征的是幾 何學特征，其中：1、平均直徑表征的是顆粒及孔隙的大小，即以大小不等的各顆?；蚩紫兜拿娣e，然 后取面積等于某顆?；蚩紫睹娣e的圓的宜徑作為該顆?；蚩紫兜钠骄藦?。在以平均宜 徑為特征值吋發(fā)現(xiàn)其變化明顯這說明在同一溫度下平均直徑受到密實度的影響較人。2、豐度表征的是二維平面屮所展示的幾何形狀，試驗屮豐度集屮在0.5左右，土結(jié) 構(gòu)單元體形狀以扁圓為主要特征，長條狀和似圓狀較少。3、圓形度表征的是孔隙接近圓形的程度，試驗中圓形度圍繞參數(shù)0. 4-0. 8左右變化, 變化范圍較大說明孔隙不規(guī)則程度較大但長條形少。4、平均形狀系數(shù)表征的是單元體或孔隙的形狀。5、各向異性率表征的是土結(jié)構(gòu)單元體或孔隙排列的整體定向特征。值越大