賴遠明黃文熙講座-凍土水熱力特性分析新方法-2015-4-10

1、2015年黃文熙講座學術報告年黃文熙講座學術報告凍土水熱力特性分析新方法凍土水熱力特性分析新方法匯報提綱匯報提綱一一. . 研究背景研究背景二二. . 硫酸鹽漬土凍結溫度硫酸鹽漬土凍結溫度三三. . 晶體生長的微觀過程晶體生長的微觀過程四四. . 土體凍結過程水土體凍結過程水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理格格陵陵蘭蘭加拿大加拿大俄俄羅羅斯斯Svalbard冰島冰島阿拉斯加阿拉斯加挪挪威威蒙古蒙古太平洋北冰洋大西洋一、研究背景一、研究背景北半球多年凍北半球多年凍土土占陸地面積的占陸地面積的24%24%。多年凍土多年凍土和和季季節(jié)凍土節(jié)凍土大約占陸地大約占陸地面積的面積的57%57%

2、。中國多年凍土中國多年凍土占 國 土 面 積 的占 國 土 面 積 的22.4%22.4%，為，為世界第世界第三三凍土大國凍土大國。中國中國中國中國大理玉樹滿洲里大慶新藏公路青藏鐵路青藏鐵路西線南水北調俄-中輸油管線青康公路（高速）青康公路（高速）青藏高速公路青藏高速公路 黑河大連加格達奇黑大公路、哈大客專大興安嶺林區(qū)公路一、研究背景一、研究背景凍土凍土區(qū)國家重大區(qū)國家重大工程工程一、研究背景一、研究背景內陸鹽漬土內陸鹽漬土沿海鹽漬土沿海鹽漬土高原鹽漬土高原鹽漬土我國我國鹽漬土鹽漬土面積約面積約2020多萬多萬平方公里平方公里，居世界第四。，居世界第四。一、研究背景一、研究背景高原鹽漬土高原鹽

3、漬土凍融作用凍融作用與與鹽漬化鹽漬化作用作用重疊、相互影重疊、相互影響：響：伴隨水熱過程的伴隨水熱過程的鹽分遷移鹽分遷移影響路基工程熱、影響路基工程熱、力、水文狀況力、水文狀況路基穩(wěn)定性問題路基穩(wěn)定性問題溫度變化溫度變化（冰強度、膠結力）（冰強度、膠結力）凍土強度變化凍土強度變化 （冰（冰- -水相變）水相變）凍、融土力學特性激變凍、融土力學特性激變0100020003000400050006000-10-8-6-4-202溫度（）強度（kPa）水分遷移水分遷移分分凝冰凝冰融化融化工程病害工程病害高含冰量高含冰量上上限及溫度變限及溫度變化化工程病害工程病害量變：升溫量變：升溫承載力或強度降低承

4、載力或強度降低質變：融化質變：融化承載力或強度喪失承載力或強度喪失一、研究背景一、研究背景縱向裂縫縱向裂縫道路翻漿道路翻漿水熱侵蝕水熱侵蝕工程的修建改變了原有凍土環(huán)境的水熱平衡狀態(tài)，隨著全球氣工程的修建改變了原有凍土環(huán)境的水熱平衡狀態(tài)，隨著全球氣候變暖和多年凍土的退化，凍融災害對寒區(qū)道路的破壞日益嚴候變暖和多年凍土的退化，凍融災害對寒區(qū)道路的破壞日益嚴重，危及交通安全。重，危及交通安全。一、研究背景一、研究背景未凍融（放大未凍融（放大100）9周期（放大周期（放大100）凍結期凍結期融化期融化期反復凍融的鹽漬化路反復凍融的鹽漬化路基填料孔隙度增大基填料孔隙度增大路基鹽脹及沉陷路基鹽脹及沉陷路基

5、承載力路基承載力及結構破壞及結構破壞一、研究背景一、研究背景在凍融循環(huán)和鹽分侵蝕的雙重作在凍融循環(huán)和鹽分侵蝕的雙重作用下，道路病害更加嚴重！用下，道路病害更加嚴重！一、研究背景一、研究背景道路破壞道路破壞 開展對凍融作用、干濕循環(huán)和鹽分遷移及其綜開展對凍融作用、干濕循環(huán)和鹽分遷移及其綜合作用對寒合作用對寒區(qū)工程穩(wěn)定性區(qū)工程穩(wěn)定性的影響研究是非常必要的。的影響研究是非常必要的。凍脹凍脹融化融化水分聚集水分聚集及消散及消散水分水分遷移遷移結晶結晶土體土體結構結構鹽脹鹽脹鹽分鹽分遷移遷移一、研究背景一、研究背景匯報提綱匯報提綱一一. . 研究背景研究背景二二. . 硫酸鹽漬土凍結溫度硫酸鹽漬土凍結溫

6、度三三. . 晶體生長的微觀過程晶體生長的微觀過程四四. . 土體凍結過程水土體凍結過程水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理土壤中土壤中SO42-、Cl-、Na+離子的含量占絕對優(yōu)勢離子的含量占絕對優(yōu)勢。鹽漬土為含。鹽漬土為含氯化鈉的氯化鈉的硫酸硫酸鹽漬土鹽漬土。青藏高原北麓河青藏高原北麓河地區(qū)地區(qū)局部鹽局部鹽漬土漬土，該地區(qū)為該地區(qū)為多年凍土區(qū)，凍多年凍土區(qū)，凍土類型為富冰凍土，土質為亞粘土類型為富冰凍土，土質為亞粘土，存在大面積的鹽漬化現象土，存在大面積的鹽漬化現象 。2.1 2.1 硫酸鹽漬土分布硫酸鹽漬土分布二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度離子離子分布分布在特定含

7、水量下（不考慮含水量對凍結溫度的影在特定含水量下（不考慮含水量對凍結溫度的影響），響），土體土體凍結溫度由兩個部分組成凍結溫度由兩個部分組成。TTTff液土溶液凍結溫度溶液凍結溫度：?。喝Q于決于溶液濃度溶液濃度和和離離子類型子類型。二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.2 2.2 基本假定基本假定土體影響土體影響：取決于：取決于孔隙大小孔隙大小和和固固- -液表液表面自由能面自由能。),(),(papiwwiiwwddddaadpiwpwwapww)()()(,二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.3 2.3 硫酸鹽溶液凍結溫度硫酸鹽溶液凍結溫度在壓力在壓力p時，溶液的時

8、，溶液的凝固點為凝固點為Tf，此時液相與固相平衡。，此時液相與固相平衡。在定壓下，如水分活度在定壓下，如水分活度變化變化daw，即即awaw+daw，則，則TT+ dT，建立新的平衡：，建立新的平衡：則有：則有：wwwaRT lndSdaaRTdSimwww,二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.3 2.3 硫酸鹽溶液凍結溫度硫酸鹽溶液凍結溫度溶液中溶液中水的化學勢水的化學勢為：為：代入微分方程有：代入微分方程有：純純水水和溶液和溶液的凝固點的凝固點分別分別為為Tf*和和Tf，對上式積分變，對上式積分變形后得形后得溶液的冰點溫度溶液的冰點溫度：fwwifffTaLRTTTln1iiw

9、wmMa1000ln二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2 2.3 .3 硫酸鹽溶液凍結溫度硫酸鹽溶液凍結溫度溶液的凍結溫度取決于水分活度，溶液的凍結溫度取決于水分活度，采用采用Pitzer離子模型離子模型進行計算。進行計算。Mw為水的摩爾質量，為水的摩爾質量，m為溶質的摩爾質量分數，為溶質的摩爾質量分數，i為離為離子子類型，類型，為滲透系數。為滲透系數。2424242442422424221212123SOClNaSOClNaSOClSOClSONaSONaNaClClNaSOClNammmmmZCBmmZCBmmbIIAmmmSONaNaCl,/)()(cNa2SO4=0.1958

10、mol/lcNa2SO4=0.3127mol/lcNa2SO4=0.3915mol/lNa2SO4和和NaCl二二元元溶液凍溶液凍結溫度結溫度的的計算計算值與實驗值值與實驗值十分接近十分接近，說明以上，說明以上計算計算方法是可行的方法是可行的。二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.3 2.3 硫酸鹽溶液凍結溫度硫酸鹽溶液凍結溫度sl為冰為冰液表面自由能液表面自由能，r為孔隙半為孔隙半徑，徑， r0為初始結晶半為初始結晶半 徑。徑。 冰 晶 生長pisl pl r r0冰 晶溶液冰晶生長過程中冰晶生長過程中受到受到冰和水壓力差的冰和水壓力差的作用作用，p= pi- pl，結結晶壓力晶壓

11、力與晶體尺寸及與晶體尺寸及其表面張力有關：其表面張力有關：dVdApsl二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.4 2.4 土體對凍結溫度的影響土體對凍結溫度的影響Vs表示冰晶的摩爾體積表示冰晶的摩爾體積，T表示由表示由克克服冰液表面自由能引服冰液表面自由能引起的溫度降低值。起的溫度降低值。Tf-solution表示溶液的凍結溫度表示溶液的凍結溫度。凍結過程需要克服固液表面自由能做功，凍結過程需要克服固液表面自由能做功，做功的大小等做功的大小等于于降溫降溫所需所需的的能能量。量。因此因此，可可建立建立如下如下平衡方程平衡方程：dVdAVTTLssolutionfiwslTLTVrwis

12、olutionfssl20二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.4 2.4 土體對凍結溫度的影響土體對凍結溫度的影響初始結晶半徑初始結晶半徑: :第一項第一項由由溶液性質溶液性質決定決定: :021rLTVTalnLRTTTwisolutionfsfwwiffslsoilfwa1soilf T02rLTVwisolutionfssl第二項第二項由由結晶半徑結晶半徑及及冰液表面自由能冰液表面自由能決定決定: :0rsoilf Tsolutionf T二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.5 2.5 硫酸鹽漬土凍結溫度硫酸鹽漬土凍結溫度通過上述分析，通過上述分析，硫酸鹽漬土凍結

13、溫度硫酸鹽漬土凍結溫度表示為：表示為：當溶液為純水時，第一項等于0當冰液接觸面為平面，土體凍結溫度等于溶液凍結溫度含鹽土的凍結溫度含鹽土的凍結溫度比相應比相應溶液溶液低低，兩者差值隨濃度增大，兩者差值隨濃度增大而而增大增大。鹽晶體析出前鹽晶體析出前凍結溫度凍結溫度隨隨濃度濃度呈現很好的呈現很好的線性關系線性關系。二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.5 2.5 硫酸鹽漬土凍結溫度硫酸鹽漬土凍結溫度鹽晶體析出溫度回升點為溫度回升點為十水硫酸鈉十水硫酸鈉晶體析出的初始溫度晶體析出的初始溫度，可得到，可得到不同硫酸鈉含鹽量的晶體初始析出溫度不同硫酸鈉含鹽量的晶體初始析出溫度。高含鹽量硫酸鈉

14、鹽漬土降溫圖低含鹽量硫酸鈉鹽漬土降溫圖二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.6 2.6 鹽晶體析出對凍結溫度影響鹽晶體析出對凍結溫度影響溶液過飽和比溶液過飽和比定義為定義為：satccS 其中，其中，c c為為溶液濃度，溶液濃度，c csatsat為為溶溶液飽和濃度。液飽和濃度。Tc0773131650sat.飽和濃度飽和濃度與與溫度溫度之間的試驗關之間的試驗關系為：系為：二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.6 2.6 鹽晶體析出對凍結溫度影響鹽晶體析出對凍結溫度影響Smax與與c0的關系的關系硫酸鈉鹽漬土初始濃度越高，溶硫酸鈉鹽漬土初始濃度越高，溶液最大過飽和比越小，鹽

15、晶體越液最大過飽和比越小，鹽晶體越發(fā)容易析出發(fā)容易析出。Smax與與T的關系的關系硫酸鈉鹽漬土凍結溫度硫酸鈉鹽漬土凍結溫度對于對于含水量為含水量為18%的青藏高原粉質粘土，的青藏高原粉質粘土，當含鹽量大于當含鹽量大于1.8%時時，土體凍結溫度以上會有土體凍結溫度以上會有鹽晶體析出，造成鹽晶體析出，造成凍結凍結溫度先回升后遞降溫度先回升后遞降。二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.6 2.6 鹽晶體析出對凍結溫度影響鹽晶體析出對凍結溫度影響(Wan & Lai*, Permafrost and Periglac. Process, 2015, IF=3.0).（1 1）鹽）鹽晶

16、體析出引起的含水量變化晶體析出引起的含水量變化二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.7 2.7 未相變含水量與溫度關系未相變含水量與溫度關系 鹽漬土信號強度與溫度關系鹽漬土信號強度與溫度關系根據根據硫酸鈉鹽漬土信號強度與硫酸鈉鹽漬土信號強度與溫度關系溫度關系可知，可知，未凍水含量未凍水含量的變的變化與化與鹽分結晶鹽分結晶和和水分結冰水分結冰有關。有關。)(.).()(001422676212676118000crrcwww其中，其中，0為初始含水量，為初始含水量，c0為為溶液溶液初始初始濃度濃度， r為溫度為溫度T時時溶液的溶解度溶液的溶解度。對溫度進行修正之后，鹽晶體析出引起的未相

17、變含水量對溫度進行修正之后，鹽晶體析出引起的未相變含水量變化為：變化為：表示表示溫度溫度影響系數影響系數：)(.).()(001422676212676118000crrcwwwTec015000485123430.).(硫酸鹽漬土未相變含水量的計算硫酸鹽漬土未相變含水量的計算值與試驗值值與試驗值鹽結晶引起的鹽結晶引起的未相變含水量未相變含水量計算值計算值與與試驗值試驗值最大差值最大差值不超不超過過0.4%。二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.7 2.7 未相變含水量與溫度關系未相變含水量與溫度關系凍結溫度以下鹽晶體析出凍結溫度以下鹽晶體析出很少很少，含水量的變化主要由冰水，含水量

18、的變化主要由冰水相變決定相變決定。此時，。此時，未凍水量未凍水量隨溫度隨溫度變化規(guī)律變化規(guī)律為：為：相同含水量時，溶液初始濃度越大，凍結溫度以下未凍含相同含水量時，溶液初始濃度越大，凍結溫度以下未凍含水量越小，當溫度低于水量越小，當溫度低于-10-10時，未凍含水量基本不再變化。時，未凍含水量基本不再變化。kAeTf176310cAln.7787064500.ln.c02650.k（2 2）水結冰）水結冰引起的含水量變化引起的含水量變化二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度2.7 2.7 未相變含水量與溫度關系未相變含水量與溫度關系其中：其中：2.8 2.8 硫酸硫酸鹽漬土鹽脹力及鹽脹對

19、土體影響鹽漬土鹽脹力及鹽脹對土體影響過飽和溶液中生長1mol晶體時，其體系的吉布斯自由能降低為：二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度0aaRTGln對于純組分體有：mTVpG)(則特定溫度下可變?yōu)椋?aaVRTpmln對于晶體若其組成為固定形式MMXX0H2O，其由M個帶zM電荷的正離子和X個帶zX電荷的負離子和0個水分子組成。其晶體溶解反應為：二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度OHMMOHXMXMXMzXzM2020鹽分的活度可表示為：00,)(wXMamaXM其中表示離子的平均活度系數：/1）（XMNM二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度通過推導可得到鹽結晶壓力為

20、：)ln(ln,000wwmccVRTp式中：c為溶液的摩爾濃度，c0為溶液的飽和摩爾濃度。水分的摩爾分數w。實驗采用青藏高原粉質粘土。含鹽量依為1%、2.6%、3.8%，含水量為18%。干密度均控制在1.82-1.90g/cm3之內，盡量減小土體空氣孔隙率。土將配好的土樣裝到有機玻璃罐中，使土樣直徑為10.0cm，高度為13.4cm。二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度土樣初始孔徑分布與累計進汞量關系二、硫酸鹽漬土凍結溫度二、硫酸鹽漬土凍結溫度硫酸鈉含鹽量3.8%硫酸鈉含鹽量2.6%土樣降溫曲線匯報提綱匯報提綱一一. . 研究背景研究背景二二. . 硫酸鹽漬土凍結溫度硫酸鹽漬土凍結溫

21、度三三. . 晶體生長的微觀過程晶體生長的微觀過程四四. . 土體凍結過程水土體凍結過程水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理3.1 3.1 相變驅動力相變驅動力 熔體熔體- -晶體體系共存，兩相晶體體系共存，兩相自由能之差自由能之差為：為：一般情況下一般情況下相變溫度區(qū)間較小相變溫度區(qū)間較小，因而近似認為：，因而近似認為：因此，相變時的自由能變化量為：因此，相變時的自由能變化量為：因此因此, ,冰冰- -水相變的驅動力為過冷度水相變的驅動力為過冷度T( )( )TSTTHG-=( )()*=THTH( )()*=TSTS()()*cl*clcl*TTLTTLLTSTTHG=-三、晶體

22、生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程 晶核形成是系統(tǒng)中晶核形成是系統(tǒng)中體積自由能體積自由能和和表面自由能表面自由能共同作用的結果，共同作用的結果，對半徑為對半徑為r的球形晶核的均相成核過程，其總的自由能寫為：的球形晶核的均相成核過程，其總的自由能寫為： Vm為物質的摩爾體積；為物質的摩爾體積； sf為晶為晶相與液相界面比表面自由能。相與液相界面比表面自由能。成核功與晶體尺寸的關系臨界晶核半徑為：臨界晶核半徑為：形成臨界球形晶核所需的功為：形成臨界球形晶核所需的功為：sf*mclcrTTVLrG234+34= -TLTVrcl*msfcrit2=22223316=TLTGLVclcl*msfcr

23、三、晶體生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程3.2 3.2 成核臨界半徑及形成功成核臨界半徑及形成功單位時間單位體積內單位時間單位體積內超臨界晶胞形成的概率超臨界晶胞形成的概率為為：分子碰撞頻率與活化能有關：分子碰撞頻率與活化能有關：超臨界分子的數目為：超臨界分子的數目為：因此，因此，均勻成核的結晶率為均勻成核的結晶率為：crsnndtdNI=RTGexp00-kTGexpncrcrn0kTGexpRTGexpnndtdNIcrs000三、晶體生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程3.3 3.3 結晶速率結晶速率結晶速率與溫度關系土體凍結典型溫度時間曲線結晶速率方程揭示了兩個相互競爭的因素：結晶

24、速率方程揭示了兩個相互競爭的因素：成核作用成核作用和和晶體生長晶體生長。恒定跳躍過冷遞降自由水凍結束縛水凍結Te大部分束縛水凍結，土體冷卻TscTf時間0溫度TTsc相對于熱力學平衡時的亞穩(wěn)態(tài)過度溫度Tf自由水的起始凍結溫度T相對于0的冰點溫度Te束縛水幾乎全部凍結時的溫度臨界晶核成核吸熱生長放熱吸放熱平衡放熱較少冷卻三、晶體生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程3.3 3.3 結晶速率結晶速率溫度較低時，分子動能較低，分子難以克服勢壘進入晶核，因此在溫度很低情況下，晶體生長反而變得困難。*TTT-*0=fvpsf*SrcosT2= -（1）當當90o時時，晶體不能在，晶體不能在T0*時進入孔隙

25、，并且孔隙越小，時進入孔隙，并且孔隙越小，晶體進入孔隙的溫度越低；相反，晶體進入孔隙的溫度越低；相反， 90o時時冰點溫度不會降低，冰點溫度不會降低，冰晶能夠自由的進入孔隙。冰晶能夠自由的進入孔隙。（2）當孔隙半徑當孔隙半徑rp10-6 m時時，孔隙結構對相變溫度的影響較小。，孔隙結構對相變溫度的影響較小。三、晶體生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程3.4 3.4 孔隙結構對凍結溫度的影響孔隙結構對凍結溫度的影響冰冰- -水處于平衡狀態(tài)時，水處于平衡狀態(tài)時，水活度與溫度的關系水活度與溫度的關系表示為：表示為：aw表示溫度為表示溫度為T時溶液中水的活時溶液中水的活度，度， 和和 分別表示溫度純分

26、別表示溫度純水在正常熔點下的潛熱和冰水比熱水在正常熔點下的潛熱和冰水比熱容之差容之差水分活度與溫度關系當當T=T*時時,aw=1,冰和水處于平衡狀冰和水處于平衡狀態(tài)；當態(tài)；當TT*時時,aw1,冰逐漸融化成水；冰逐漸融化成水；當當TT*時時,aw1,水逐漸凍結成冰。水逐漸凍結成冰。 TTlnRCTTRTCTHaln*p*p*mw111 *mTH1pC三、晶體生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程3.5 3.5 溫度對水活度的影響溫度對水活度的影響水凍結與融化過程的水凍結與融化過程的相變速率相變速率寫為：寫為：上式中，第一項代表冰晶生長，第二項代表冰晶融化。上式中，第一項代表冰晶生長，第二項代表冰

27、晶融化。和和 分別表示正向和反向速率常數。分別表示正向和反向速率常數。和和 分別表示水和冰的濃度分別表示水和冰的濃度(kg/m3)；n為材料參數。為材料參數。 sinwrlwnwfCaTICaTImiwwi11 fTI rTIlwCsiC三、晶體生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程3.6 3.6 晶體生長的宏觀動力學模型晶體生長的宏觀動力學模型 物質總是由化學勢高的位置向化學勢低的位置遷移，即物質總是由化學勢高的位置向化學勢低的位置遷移，即化化學勢梯度是物質遷移的驅動力學勢梯度是物質遷移的驅動力：fm為單位體積流體上所受的體積驅動力。為單位體積流體上所受的體積驅動力。單位體積流體的平均遷移速率

28、為：單位體積流體的平均遷移速率為： 當采用當采用達西定律達西定律來描述水的運動過程時，來描述水的運動過程時，滲透壓力梯度是滲透壓力梯度是水分遷移的驅動力：水分遷移的驅動力：xVflwmm1xpflwmgxVVlwlwmlwintrlwkk1三、晶體生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程3.7 3.7 水分遷移水分遷移不同尺度多孔介質特性冰棱鏡液態(tài)水液態(tài)水凍結緣基質孔隙冰多孔介質中冰結晶與水分遷移三、晶體生長的微觀過程三、晶體生長的微觀過程3.8 3.8 多孔介質熱質傳遞與結晶過程的耦合作用多孔介質熱質傳遞與結晶過程的耦合作用(Wu & Lai*, Inter. J. Heat and M

29、ass Transfer, 2015, IF=2.5)匯報提綱匯報提綱一一. . 研究背景研究背景二二. . 硫酸鹽漬土凍結溫度硫酸鹽漬土凍結溫度三三. . 晶體生長的微觀過程晶體生長的微觀過程四四. . 土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理凍土的成分凍土的成分溫度溫度水分水分應力應力對流對流/ /相變相變相平衡相平衡水分遷移水分遷移導熱性能導熱性能相平衡相平衡/ /凍脹力凍脹力孔壓孔壓相平衡相平衡水分遷移水分遷移固體骨架、冰、固體骨架、冰、水、氣水、氣四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.1 4.1 凍

30、土中的物質成分及耦合關系凍土中的物質成分及耦合關系 開展凍融作用下土體水分遷移機理試驗，分析不同工況開展凍融作用下土體水分遷移機理試驗，分析不同工況條件下水分遷移過程中的凍脹機理。條件下水分遷移過程中的凍脹機理。溫度溫度水分水分鹽分鹽分變形變形溫度溫度水分水分變形變形土水勢土水勢控溫、補水控溫、補水控溫、加載控溫、加載四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4 4.2 .2 試驗研究試驗研究（1 1）荷載）荷載的影響的影響受土樣頂部受土樣頂部荷載的影響荷載的影響，土體，土體凍脹凍脹和和凍結鋒面凍結鋒面隨時間的變化過程不同。條件隨時間的變化過程不同。條

31、件中土體壓縮階段較長，凍結中土體壓縮階段較長，凍結90h，條件，條件和條件和條件的凍脹量為的凍脹量為9.18mm和和4.99mm，凍結鋒面距暖端距離分別為，凍結鋒面距暖端距離分別為48.9mm和和54.23mm。圖圖4.1 凍脹凍脹-時間時間0102030405060708090100-1012345678910BDCA 凍脹 (工況) 凍脹 (工況) 時間 /h凍脹 /mm01020304050607080901000102030405060708090100DBC 凍結鋒面(工況) 凍結鋒面 (工況) 時間 /h凍結鋒面 /mm圖圖4.2 凍結鋒面凍結鋒面-時間時間0.31/cm 50kP

32、a0.31/cm 100kPa0.31/cm 50kPa0.31/cm 100kPa四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理0102030405060708090100-2-101234SSSCFC降溫速率 /h 20mm 40mm 60mm 80mm 降溫速率, 80mm溫度 /時間 /h-3-2-101 圖圖5.3 溫度溫度-時間時間0102030405060708090100-2-101234SSSCFC降溫速率 /h 20mm 40mm 60mm 80mm 降溫速率, 80mm溫度 /時間 /h-3-2-101 0.31/cm 50kPa0.

33、31/cm 100kPa圖5.4 含水量-高度高度 /mm含水量 /%溫度變化均呈現溫度變化均呈現3個階段，不同的荷個階段，不同的荷載作用下，降溫速率不同；載作用下，降溫速率不同；未凍區(qū)土體壓密，未凍區(qū)土體壓密，孔隙改變，同時凍孔隙改變，同時凍結鋒面以下吸力減小，未凍區(qū)水分遷結鋒面以下吸力減小，未凍區(qū)水分遷移量大于補給量，導致未凍區(qū)出現非移量大于補給量，導致未凍區(qū)出現非飽和現象。飽和現象。條件條件四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理（2 2） 溫度梯度的影響溫度梯度的影響0102030405060708090100-1012345678910B4

34、B3DCAB1 凍脹 (工況)凍脹 (工況) 時間 /h凍脹 /mm01020304050607080901000102030405060708090100DCB1 凍結鋒面 (工況) 凍結鋒面 (工況) 時間 /h凍結鋒面 /mm圖圖4.5 凍脹凍脹-時間時間圖圖4.6 凍結鋒面凍結鋒面-時間時間較大的較大的溫度梯度決定了土體凍脹速率及鋒面移動速率溫度梯度決定了土體凍脹速率及鋒面移動速率，凍結，凍結90 h，條件，條件和條件和條件的凍脹量為的凍脹量為4.99 mm和和9.82 mm，凍結鋒面距暖端距離分別為，凍結鋒面距暖端距離分別為54.23 mm和和35.65 mm。0.65/cm 100

35、kPa0.31/cm 100kPa0.31/cm 100kPa0.65/cm 100kPa四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理圖圖4.7 凍脹速率、溫度梯度凍脹速率、溫度梯度-時間時間0.31/cm 50kPa0.31/cm 100kPa圖圖4.9 含水量含水量-高度高度高度 /mm含水量 /%受荷載和溫度梯度綜合影響，初始階受荷載和溫度梯度綜合影響，初始階段凍脹速率和溫度梯度的變化呈相反段凍脹速率和溫度梯度的變化呈相反趨勢，之后溫度梯度與凍脹速率呈正趨勢，之后溫度梯度與凍脹速率呈正相關趨勢，相關趨勢，溫度梯度是凍脹主導因素。溫度梯度是凍脹主導因

36、素。01020304050607080901000.00.81.01.2B4B3B2B1dz/dt /mm/hgrad T=(T0-Tf)/Hf /cm 時間 /h凍脹速率和溫度梯度 0102030405060708090100-5-4-3-2-101234SSSCFC溫度變化速率 /h 20mm 40mm 60mm 80mm 溫度改變速率, 80mm溫度 /時間 /h -3-2-101 0.65/cm 100kPa0.65/cm 100kPa溫度梯度凍脹速率圖圖4.8 溫度溫度-時間時間條件條件四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用

37、機理（3 3） 溫度邊界的影響溫度邊界的影響020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 30002468101214161820BCA 凍脹 (工況) 凍脹 (工況) 時間 /h凍脹 /mm020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300020406080100120140160180200 凍結鋒面 (工況) 凍結鋒面 (工況) 時間 /h凍結鋒面 /mm0.30/cm(+1.0 -5.0)0.30/cm(+1.8 -4.2)0.30/cm(+1.8 -4.2)0.30/cm(+1.

38、0 -5.0)圖圖4.10 凍脹凍脹-時間時間圖圖4.11 凍結鋒面凍結鋒面-時間時間較低的冷端溫度加速了孔隙冰水相變，改變了孔隙冷生構造，較低的冷端溫度加速了孔隙冰水相變，改變了孔隙冷生構造，凍結凍結290h，條件，條件和條件和條件的凍脹量為的凍脹量為9.8mm和和17.6mm，凍結鋒面距暖端，凍結鋒面距暖端距離分別為距離分別為50.7mm和和28.1mm。四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理0.31/cm 50kPa圖圖5.13 含水量含水量-高度高度高度 /mm含水量 /%0.65/cm 100kPa凍脹速率圖圖4.12 溫度溫度-時間時間

39、條件條件020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300-5-4-3-2-101234FCSSSC溫度變化速率 /h 35mm 75mm 125mm 145mm 溫度變化速率, 145mm溫度 /時間 /h -3-2-101 020406080100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300-5-4-3-2-101234FCSSSC溫度改變速率 /h 50mm 100mm 140mm 180mm 溫度變化速率, 140mm溫度 /時間 /h -3-2-101 溫度變化均呈現溫度變化均呈現3個階段，個階

40、段，不同的溫不同的溫度邊界下，土體溫度變化速率不同；度邊界下，土體溫度變化速率不同；受冷端溫度邊界的影響，兩種條件下受冷端溫度邊界的影響，兩種條件下的冰透鏡體分布不同，的冰透鏡體分布不同，較低的冷端溫較低的冷端溫度減少了冰透鏡體數量和厚度。度減少了冰透鏡體數量和厚度。0.30/cm(+1.8 -4.2)0.30/cm(+1.0 -5.0)四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理基于水分基于水分遷移及凍脹試驗，從遷移及凍脹試驗，從多孔介質理論多孔介質理論出發(fā)，考慮土體單元出發(fā)，考慮土體單元質量守恒質量守恒、能量守恒能量守恒及及靜力平衡靜力平衡，構建水，

41、構建水- -熱熱- -力耦合理論模型力耦合理論模型。土顆?？紫端哥R冰冷端暖端Tc ZcTf ZfTl ZlTm ZmTw Zw圖圖4.15 單向凍結原理圖示單向凍結原理圖示圖圖4.14 正凍土體示意正凍土體示意四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究 （1 1）土）土體特性體特性含冰量：含冰量： 導導水水率：率： 熱物理熱物理參數：參數： 901nSkkiiiwisCnSCSnCnC11iinSiSnwns11四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究

42、理論研究00TT T T 0110TTSimTbaEs（2 2）壓縮）壓縮模量模量（3 3）土）土體容重體容重gSnnSngwiiis11gnnws0001 凍土強度對溫度有明顯的依賴性，凍土壓縮模量與凍土強度對溫度有明顯的依賴性，凍土壓縮模量與溫度之間存在以下經驗式溫度之間存在以下經驗式四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究單位單位土體組成及各組分的體積含量土體組成及各組分的體積含量 （4 4）質量守恒）質量守恒方程方程componentsicewatersoil grains1nSin(1-Si)1-n四、四、土

43、體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究假設假設t和和t+t時刻時刻各組分的各組分的質量分別為質量分別為 和和 ，忽略土顆粒的流入或移出，對于體積為，忽略土顆粒的流入或移出，對于體積為dV的的微元體，冰、水體系質量守恒：微元體，冰、水體系質量守恒：tttswimmm，ttttttswimmm，t)(t)(ttdAdzzvvdAdzzvvmmdAvdAvmmwwwiiiwiwwiiwittttttdAdzzvzvtmtmwwiiwi)(dVnSmiiidVSnmiww)1 ( dVnmss)1 ( 四、四、土體凍結過程中水土體凍結

44、過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究dAdzzvzvtdVSntdVnSwwiiiwii)()1 ()(dVndVs 1)(1)1 ()(wwiiiwiiiwivvtnnSStTTSn （5 5）水分）水分遷移驅動力遷移驅動力四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究kvwgmsTpgPwwpzgTSkTT凍結區(qū)溫度凍結區(qū)溫度T和滲透壓力和滲透壓力Pw不是獨立的，則不是獨立的，則kT =0 （5 5）水分）水分遷移驅動力遷移驅動力四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水-

45、-熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究)ln(-0TTLPPiiwwawwPPPaiiPPP0TTTiwporP)(PP15 . 1)1 (iSwiporwwiaiwwPTTTLPP)1 ()(ln()1 ()(1 (00 （6）能量守恒）能量守恒方程方程 水分遷移帶走的熱量水分遷移帶走的熱量 四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究t)dVnS(LiiTdVvCwwdV)PDT(wp- 土體變形土體變形導致孔隙結構變化，從而影響土體的熱物理性質，單導致孔隙結構變化，從而影響土體的熱物

46、理性質，單位時間土體變形引起的熱量變化，即位時間土體變形引起的熱量變化，即變形與熱運移耦合項變形與熱運移耦合項 dVtTnv1四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究tTnTvCPDTtnEtTEvwwwpnT)1 ()-(TSnLCEiiTnSLEiin1 （7 7）靜）靜力平衡方程力平衡方程 由于由于固體骨架本身的壓縮性遠小于孔隙的壓縮性固體骨架本身的壓縮性遠小于孔隙的壓縮性 ，假設假設固體固體顆粒不可壓顆粒不可壓，土體變形由于孔隙的改變而產生土體變形由于孔隙的改變而產生。 0-dzd四、四、土體凍結過程中水土體凍

47、結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究porPzuv應變應變與與位移位移之間的關系表示為：之間的關系表示為：Tev假定凍土為假定凍土為彈性材料彈性材料，總應變包括，總應變包括彈性應變彈性應變和和溫度應變溫度應變：esdEd-彈性彈性應力應力- -應變應變關系為：關系為： nnne1-00TTT靜力平衡靜力平衡方程：方程：四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究不考慮土體流失不考慮土體流失，土體顆?？傮w積為，土體顆?？傮w積為常數。常數。常數Vn1nnVVndnVdV001于

48、是可得彈性應變和溫度應變的表達式分別為：于是可得彈性應變和溫度應變的表達式分別為：01-00zPTTnnnEzpors）（ 用用分凝溫度分凝溫度作為冰透鏡體萌生和結束的控制溫度（作為冰透鏡體萌生和結束的控制溫度（Konrad and Morgenstern, 1980) 用用最大冰壓力最大冰壓力或中斷應力來控制（或中斷應力來控制（Miller, 1978; Gilpin, 1980; J.F. Nixon, 1991; Konrad and Duquennoi, 1993; Akagawa et al., 2007; H.R. THOMAS, et al., 2009;） 采用采用土體裂縫形成

49、土體裂縫形成作為冰透鏡體形成的判據（作為冰透鏡體形成的判據（Azmatch et al., 2011, 2012） （8 8）凍結）凍結緣及冰透鏡體緣及冰透鏡體四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究 Lukas U.Arenson et al.2007Tezaera F.Azmatch et al.2012Lukas U.Arenson et al.2008四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究cTTnnnEdzPshzpor)(-100初

50、始條件：c=0 分凝壓力：分凝壓力： 由靜力平衡由靜力平衡方程得：方程得：tzhhlsepdzPPsepnn 分凝條件分凝條件與與初始初始孔隙率孔隙率、土體壓縮特性土體壓縮特性、溫度梯度溫度梯度及及應力應力有關。有關。 四、四、土體凍結過程中水土體凍結過程中水- -熱熱- -力相互作用機理力相互作用機理4.3 4.3 理論研究理論研究分凝條件：分凝條件：sepporPPtlstlssepPTTEPTTnEn)(1)(000hzseptlsepshzpornndzPnnTTnnnEdzP )(-100 從物理現象分析，冰透鏡體的生成還需從物理現象分析，冰透鏡體的生成還需滿足：滿足：冰透鏡體冰透鏡體形成后形成后