长春季节性冻土地区土体微观结构与水分迁移的关系
季节性冻土的冻结和融化
季节性冻土的冻结和融化季节性冻土，指的是地球表面在寒冷季节中由于低温而呈现冻结状态的土壤。
它主要分布在地球的高纬度地区和高海拔地区，如北极、南极、高山地区等。
季节性冻土的冻结和融化是地球气候系统中一个重要的过程，对于环境变化、生态系统以及人类活动都具有深远的影响。
一、季节性冻土的形成原因季节性冻土的形成主要受到以下几个因素的影响：1. 气温：寒冷的气温是季节性冻土形成的基本条件。
当地表温度降至冰点以下时，水分开始凝结成冰，导致土壤中的水分冻结。
2. 土壤含水量：土壤中的含水量越高，冻结的可能性就越大。
当土壤含水量较高时，水分冷却的速度会相对缓慢，容易形成冻土。
3. 土壤质地：粘土和壤土等细粒土壤对水分的吸附能力较强，有利于水分冻结形成冻土。
4. 土壤覆盖：植被和积雪是影响季节性冻土的重要因素。
植被可以保持土壤湿度并减缓土壤冷却速度，而积雪可以起到绝缘的作用，防止土壤中的热量流失。
二、季节性冻土的冻结过程季节性冻土的冻结过程一般可分为以下几个阶段：1. 预冷期：气温逐渐下降，土壤中的水分开始冷却，并在零度附近形成冰点核。
此时，土壤中的水分尚未完全冻结。
2. 冻结期：气温持续降低，土壤中的水分逐渐冻结成冰。
冰芯从冷集中形成，并向周围扩散。
土壤中的孔隙逐渐被冰塞满。
3. 冻结稳定期：土壤中的水分基本上已经冻结成冰，达到稳定状态。
此时，土壤变得坚硬，无法渗透水分。
三、季节性冻土的融化过程季节性冻土的融化通常是在春季气温回升时发生的，它包括以下几个主要阶段：1. 融化融雪期：随着气温的升高，冻土表层的冰开始融化。
同时，积雪也逐渐融化，增加了土壤中的水分。
2. 滞后融化期：由于冻土表层的冰有一定的保护作用，导致下层土壤的融化滞后于表层。
这一阶段土壤水分的增加会导致土壤湿度的提高。
3. 渗透融化期：随着高温季节的到来，冻土逐渐融化，土壤中的水分开始渗透向下。
这会导致土壤湿度的逐渐下降。
四、季节性冻土对环境和生态系统的影响季节性冻土冻结和融化过程对环境和生态系统具有重要意义：1. 气候变化：季节性冻土的冻结和融化过程是地球气候系统中重要的热量交换过程。
季节性冻土的冻胀力及水工建筑物防冻害措施
季节性冻土的冻胀力及水工建筑物防冻害措施作者：付洪光喻松柏来源：《农民致富之友》2010年第20期一、冻胀力的形成：影响土的冻胀因素很多，主要是水、土、温、压因素。
其中水、土是主要因素。
土的冻胀是由于土体中含水量超过起始冻胀含水量，在负温下孔隙水部分冻结，对土骨架将产生挤压力。
如果未冻水没有向外排泄条件，土开始冻胀。
但如果能将其余未冻水挤走，以上体积增量将由孔隙中剩余空间所容纳，土体也不会产生冻胀。
如果冻胀过程中有外水补给发生了强烈的水分迁移，生成大量的冰夹层，将产生强烈的冻胀。
经观测：冰夹层的厚度大致等于冻胀量。
沿冻深分步的冰夹层基本上代表了冻胀量沿冻深的分步情况。
上层土的冻夹层厚而稀，而下层土的冰夹层薄而密。
土壤粒径、级配及温度变化，外水补给，外荷载的大小等都直接影响冻胀的程度。
当土粒的粒径为0.05～０.002mm之间，土中水分迁移剧烈，土的冻胀量比较大，这种土的吸引水分能力强。
土体中水分的迁移是靠结晶力、吸附力、毛细力、温度差和表面能差产生薄膜水移动，其中冰结晶力、毛细力和表面能差是水分迁移的主要动力。
土体冻结时，冻结面附着土颗粒的水膜被冰晶体吸薄，为了维持颗粒表面能的平衡，其他土颗粒的水膜向较薄的颗粒表面移动，为达能量的平衡，不断的移动，不断的冻结，放出潜热结晶成冰。
季节性冻土地区经过多次冻融循环，土的孔隙比是比较大的，冻结期土经过不均匀的冻胀，冻结面是一个凹凸不平的曲面，在冻层由于冻胀而上抬的过程中凹面处形成孔缝，造成负压区，迁移的水聚集到此而结晶成冰夹层。
这种冰夹层体积膨胀9％，产生了内压力，这种对基础挤压和抬起的能力称之谓冻胀力。
1、封闭式和开敞式冻胀的区别：（1）封闭式冻胀：在没有外水补给的条件下，土体中原驻水引起的冻胀为封闭式冻胀，当土体中原驻水小于起始冻胀含水量(粘土W0=13.0)冻结时不但没有冻胀，反而产生冻缩。
表现地面出现下降，体积缩小。
当土体中原驻水大于起始冻胀含水量W0时，在没有外水补给的条件下，虽然产生冻胀，但冻胀量不大。
长春地区土的冻胀性对基础影响分析
长春地区土的冻胀性对基础影响分析发布时间：2021-05-19T08:23:47.252Z 来源：《中国科技人才》2021年第8期作者：刘卫孙广利付建阳[导读] 季节性冻土是指冬季土的温度在0℃以下时冻结，春夏季节随着温度的上升又全部融化的土[1]。
吉林建筑大学测绘与勘察工程学院吉林长春 130118摘要：长春地区属于季节性冻土区，冻土的冻胀和融沉对于基础而言会产生较大影响，有必要对冻胀性土进行一定的研究，在工程建设中减少其对基础的危害。
为此，探讨了影响土冻胀性的因素以及防治措施和方法。
关键词：季节性冻土；冻胀性；基础1 引言近年来，随着长春城市建设的发展，越来越重视工程建设的速度而忽视了工程所处的环境对于后期工程运营的一系列影响。
随着建筑物的使用年限的增加，建筑物的基础因为土发生的冻胀而对基础产生较大的影响，土的冻胀具有不均匀性，使基础及地基产生不均匀变形，这种不均匀变形一旦超过允许值，就会造成建造物的破坏。
土所产生的冻胀会引起基础的冻害造成建筑物破损，因而影响建筑物的使用，降低建筑物的使用寿命。
季节性冻土是指冬季土的温度在0℃以下时冻结，春夏季节随着温度的上升又全部融化的土[1]。
它产生的原因主要是冻结层在气温较低时形成，随冻结层自上而下移动，土中水分向上部迁移并发生聚集，随之产生冻土。
冻结后的土体积增大，因此产生的冻胀可使基础发生各种变形和破坏。
季节性冻土的融化层有两个方向，一方面是自地表向下，另一方面是自多年冻土层向上。
由于水分向两个冻结峰面迁移，因此季节性融化层结冰后的聚集现象以及水分的重新分布与季节冻结层不同，冰层和透镜体相对集中在季节性融化层的1/3以上，接近多年冻土上限。
土的冻胀性是指由于土的冻结作用而造成土体的体积膨胀现象，这是季节性冻土区常见的一种病害现象。
冻胀可分为原位冻胀和分凝冻胀两种情况，原位冻胀是指冻结锋面向前冻结，冻土持续冷却，冻土孔隙水或冻土冻结水原位冻结，导致体积增大的过程。
冻土水热力三场耦合机理及本构关系
在这一部分，作者结合实际工程案例，分析了冻土水热力耦合作用在实际工 程中的应用和影响。这些案例既验证了理论研究的正确性，也为工程实践提供了 有益的参考。
结论部分总结了本书的主要研究成果和观点，展望了未来冻土研究的发展方 向。这一部分既是对全书内容的总结，也是对未来研究的期许。
《冻土水热力三场耦合机理及本构关系》一书目录结构清晰，内容丰富，既 有对冻土基本属性的深入剖析，也有对水热力耦合机理的详细阐述，还有对工程 应用的案例分析。这本书不仅为冻土工程领域的学者和工程师提供了宝贵的参考， 也为推动冻土研究的发展做出了重要贡献。
本书对冻土的基本物理性质进行了详细阐述。介绍了冻土的形成过程、分类及基本特征，包括冰 晶的形成、水分迁移、温度分布等。通过对冻土微观结构的分析，揭示了冻土中水分、热量和力 学行为之间的相互关系。
本书重点研究了冻土的水热力耦合机理。从水分迁移、热量传递和力学变形三个方面，深入探讨 了冻土在不同环境条件下的响应。
这本书给我留下的最深刻的印象，就是它系统而全面地介绍了冻土的基本力 学性质和特点，以及相关理论与数值模拟研究方法。通过阅读，我了解到冻土是 在低温环境下，土壤中的水分结冰形成的一种特殊土体。这种土体在冻结和融化 过程中，会受到温度、水分和应力等多种因素的影响，表现出复杂的水-热-力三 场耦合行为。
分析了冻土中水分迁移的规律，包括液态水、汽态水和冰晶的相互转化；研究了冻土中热量传递 的过程，揭示了温度对冻土物理性质的影响；同时，探讨了冻土在应力作用下的变形行为，包括 弹性、塑性和蠕变等。
在此基础上，本书进一步探讨了冻土的本构关系。建立了考虑水分、热量和应力耦合的冻土本构 模型，通过数学方法和实验手段，揭示了冻土在复杂应力状态下的变形规律。该模型能够更准确 地描述冻土在实际工程中的行为，为冻土工程的设计提供了有力支持。
长春市冻土时空变化特征分析
长春市冻土时空变化特征分析长春市位于中国东北部，是吉林省的省会城市，也是东北地区的重要城市之一。
由于地处寒冷地区，长春市的冻土时空变化特征备受关注。
本文将从长春市冻土的时空变化特征入手，展开深入分析，以期更好地了解长春市冻土的状况，并为未来的城市规划和资源开发提供参考。
一、长春市冻土时空分布特征长春市地处寒冷地区，其冻土分布特征主要包括冻土深度、冻土类型和冻土时空变化等方面。
在较大范围内，长春市的冻土分布呈现出距地表深度较浅的特点，主要分布于1米以内，其中以地表至0.5米为主。
这种特征与长春市地处寒冷地区的气候条件密切相关，气温低，积雪覆盖持续时间长，导致地表能量交换强烈，地表温度常年低于冰点，从而使冻土分布范围扩大。
在长春市的土壤类型中，以玄武岩岩土和砂质粘土土壤为主，这些土壤类型对冻土的分布和特征具有较大的影响。
长春市的冻土时空变化特征表现为季节性和年际变化。
在季节性变化中，长春市由于特殊的地理位置和气候条件，冻土呈现出冻融循环明显、冻土深度波动大的特点。
在冬季，受到外界气温的影响，冻土范围扩大，冻土深度加深；而在夏季，随着气温的上升和降水的渗透，冻土逐渐融化，冻土深度缩减。
这种冻土的季节性变化严重影响着土壤的水分、养分和微生物等生物学过程，对生态环境产生重要影响。
在长春市的冻土年际变化中，受全球气候变暖的影响，长春市的冻土呈现出逐渐减少的趋势。
据长期观测资料显示，长春市的冻土深度逐渐减小，冻土范围逐渐缩小，尤其是近年来，全球气候变暖加剧，导致长春市冻土变化更加显著。
这种趋势如果持续下去，将对长春市的农业、生态环境和城市规划等方面带来重大影响，因此亟需引起重视。
二、长春市冻土变化的影响及应对对策长春市冻土的变化对城市的多个方面产生重要影响。
首先是农业生产。
长春市是东北地区重要的农业基地，农业对生态环境和气候条件敏感，而冻土变化将直接影响土壤的水分和养分状况，导致种植业生产受到较大影响。
其次是生态环境。
长春市冻土时空变化特征分析
长春市冻土时空变化特征分析作者：姚宏伟解彦维范婷婷来源：《现代农业科技》2019年第24期摘要; ; 利用1961—2018年长春市6个地面气象站的多年冻土资料，分析了长春市多年冻土平均最大深度、冻结日期、解冻日期、冻结日数和年际变化规律。
结果表明，58年来，全市冻结日期略有推迟，解冻期明显提前;多年来最大平均冻土深度的变化呈下降趋势，各站的变化趋势与全市基本一致。
关键词; ; 冻土;分布特征;变化趋势;吉林长春中图分类号; ; P642.14; ; ; ; 文献标识码; ; A文章编号; ;1007-5739（2019）24-0165-01; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; ;开放科学（资源服务）标识码（OSID）冻土层是指当温度降到0 ℃或更低时，含有水分的土壤冻结的现象。
我国的冻土分布非常广泛，受季节性冻土和多年冻土影响的地区约占全国土地总面积的70%[1]。
冻土对气候变化敏感，温度变化是冻土的重要影响因素。
近几十年来，冻结期推迟、融化期提前、冻结时间缩短的现象频发。
多年冻土的主要转化时期发生在20世纪80年代中期，90年代明显减少[2-3]。
现对长春市冻土时空变化特征进行分析。
1; ; 资料与统计方法本文选取1961—2018年长春市6个地面气象观测站的冻土观测数据，选择各站每年最大冻土深度、58年来平均值、6个地点的平均值，统计时间为10月至翌年5月。
2; ; 结果与分析2.1; ; 冻土深度2.1.1; ; 站点最大冻土深度和多年平均冻土深度。
长春市冻土的最大冻结深度受纬度和地形的双重影响。
根据全市6个观测站的资料，计算了平均多年冻土深度的最大值，给出了平均多年冻土深度的区域分布。
长春市区冻土深度相对较深，榆树达140 cm，向北向南依次转浅，九台、双阳较浅，分别为125、122 cm。
浅析季节性冻土地区工程建设基础合理浅埋的可能性
浅析季节性冻土地区工程建设基础合理浅埋的可能性摘要：在改革开放不断深化的过程中，人们的生活水平不断提高，各行各业发展的水平也不断突破新高度。
在这种时代背景下，季节性冻土地区工程建设正处于飞速的上升期，在质量上有了更高的要求，工程建设基础合理浅埋存在着更多的可能性。
为了让工程建设项目更好地满足市场的多元化要求，让工程建设行业获得更深远的发展，需要充分依据季节性冻土地区的基本状况，分析在季节性冻土地区工程建设基础合理浅埋的可能性。
本文从季节性冻土地区工程建设基本概况出发，接着从多个维度详细分析了在当下，季节性冻土地区工程建设的应用现状和存在的弊端，最后针对这些弊端，提出季节性冻土地区工程建设基础合理浅埋的改善措施和可能性。
关键词：冻土；工程技术；季节性冻土地区工程建设；应用分析；技术探索在当下的工程建设行业，随着科技的飞速发展，也正处于迅速发展成熟的进程中。
近年来，人们生活水平提高，对工程建设方面的需求日益多样化。
为了尽可能满足人们的工程建设需求，工程建设领域在数量和质量方面都提出了新的要求。
在工程建设的基础建设过程中，需要十分关注在季节性冻土地区的建设，这项工程中需要充分考虑合理浅埋的可能性。
因此，为了提高季节性冻土地区整体工程建设工程的效率，需要依据当地的基本状况，分析合理浅埋的可能性。
在季节性冻土地区中，存在着诸多的安全隐患。
造成安全隐患的主要因素有很多，其中值得关注的一项工作便是季节性冻土地区工程建设。
在当下的季节性冻土地区工程建设工作还存在着诸多的不足之处，需要做出更多的改善，进而提高整个工程建设工程的效率。
除此以外，季节性冻土地区存在着合理浅埋的一些有利条件，可以充分利用好这些条件1.季节性冻土地区工程建设基础合理浅埋的基本特征在当下的工程建设行业，季节性冻土地区的建设工作值得关注，合理浅埋对整个工程建设的质量起着决定性的作用。
这项工程具有鲜明的特点，相关人员在进行工作时，需要依据当地的基本特征开展更为高效的工作。
中国冻土分布规律
中国冻土分布规律一、引言中国是一个地域辽阔、自然环境多样的国家，冻土分布广泛。
冻土是一种特殊的土壤类型，其水分在零度以下时冻结成冰，导致土壤的物理性质和工程性质发生显著变化。
了解中国冻土的分布规律对于工程建设、生态环境保护和农业生产具有重要意义。
二、中国冻土类型及分布季节性冻土：季节性冻土是中国最常见的冻土类型，主要分布在东北、华北、西北和青藏高原等地区。
这些地区冬季寒冷，土壤中的水分在零度以下时冻结成冰，形成季节性冻土。
随着春季的到来，气温升高，冻结的土壤开始融化，恢复正常的土壤性质。
多年冻土：多年冻土主要分布在中国的青藏高原和高山地区，如昆仑山、祁连山、天山等。
这些地区海拔高，气温低，土壤中的水分长期保持在零度以下，形成多年冻土。
多年冻土的厚度较大，对工程建设和生态环境的影响更为显著。
三、中国冻土分布规律纬度地带性：中国冻土的分布具有明显的纬度地带性。
从北向南，随着纬度的降低，季节性冻土的分布范围逐渐减小，而多年冻土的分布范围逐渐增加。
这是由于纬度越高，冬季越寒冷，土壤中的水分越容易冻结成冰。
垂直地带性：中国冻土的分布还具有明显的垂直地带性。
在高山地区，随着海拔的升高，气温逐渐降低，土壤中的水分越容易冻结成冰。
因此，在高山地区，从山脚到山顶，冻土的分布呈现出明显的垂直分带性。
地形地貌影响：地形地貌对冻土的分布也有重要影响。
例如，在青藏高原地区，由于地势高亢、气候寒冷干燥，多年冻土广泛分布。
而在东北地区，由于地势低平、气候湿润，季节性冻土分布较为广泛。
此外，河流、湖泊等水体附近也容易出现冻土。
地质构造影响：地质构造对冻土的分布也有一定影响。
例如，在断裂带附近，由于地下水的涌出和地温的异常变化，容易出现多年冻土。
而在一些岩石透水性较好的地区，由于水分容易下渗和冻结，也容易出现季节性冻土。
人类活动影响：人类活动对冻土的分布也有一定影响。
例如，在城市建设过程中，由于大量取土和排水设施的建设，会改变原有的水文地质条件，从而影响冻土的分布。
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长春季节性冻土地区土体微观结构与水分迁移的关系董宏志,王 清,于 莉,李 杨(吉林大学建设工程学院,长春 130026)摘要:利用扫描电子显微镜(SE M)技术,从土体微观结构特征出发,对长春 吉林公路某路段季节冻土的粒度成分、结构单元体成分、孔隙特征及结构特征进行了定量分析,并对其与水分迁移的关系进行了讨论。
从SE M 图像定量分析中可以看出,研究路段的土体,其微观颗粒 结构单元体、孔隙的定向性均较差,粒内微小孔隙发育,土体尽管在粘粒含量较高的情况下,也表现出孔隙主要在1~2 m 内分布,即毛细孔隙极发育,说明样品具有各向同性的特点,即在外界条件相同的情况下水分迁移的通道在水平和垂直方向上具有相同的性质。
关键词:结构单元体;孔隙;季节冻土;水分迁移中图分类号:P642 11+6 文献标识码:A 文章编号:1000-3665(2008)02-0062-04收稿日期:2007-10-12;修订日期:2007-11-23基金项目:国家自然科学基金(40672180);成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家专业实验室开放基金(GZ2004-08);吉林大学985计划项目(105213200500007)作者简介:董宏志(1974-),男,博士研究生,从事岩土工程研究。
E -mail:donghongz@1 前言随着我国国民经济的进一步发展,我国经济发展突飞猛进,人民生活水平显著提高,能源、交通、通讯等许多建筑设施不得不建在冻土上,如青藏铁路等重大工程以及水利设施、输电线路的塔(杆)基础等。
但是由于我国的基础设施仍很不完善,已不能满足经济发展和人民生活的需要,一些已有建筑物也不同程度受到冻害影响[1~2],其中公路尤其是高速公路发展的相对滞后已阻碍了经济的发展。
因此,公路的大力发展已势在必行。
我国多年冻土和季节冻土区面积分别占全国面积的21 5%和53 5%[10],季节冻土区面积超过了全国面积的一半。
因此,要发展公路就不可避免地会牵涉到冻土尤其是季节性冻土的研究[7~9]。
微观结构是指借助于高倍显微镜(>200倍)、扫描电子显微镜等所能观察到的结构单元体的大小、形状、表面特征、结构单元体之间或单元体之内的相互排列关系、孔隙特征及其结构连结关系等特征的总和[3~4]。
本文主要在微观理论,即考虑土粒(结构单元体)的大小、粒间、粒内孔隙、微小裂隙、微观结构类型对土体部分水分迁移的影响,为了研究微观结构的变化特征,本次试验选择了两个研究层次,即对粘土、粉质粘土采用的放大倍数为800~2000倍加以讨论。
2 研究路段土体微观结构特征的分析2 1 微观颗粒定量分析本次研究主要取长春 吉林北路路基土,研究路段不同深度样品的微观颗粒的定量分析如图1和表1所示。
从图表中的数据可以看出,在该研究路段的土体,一般大于20 m 和小于1 m 的颗粒很少,在SEM 图片(图2)中基本上没有这两种粒径,1~2 m 的粒径也较少,主要的粒径区段在2~5 m 和5~10 m 这两个区段,可见颗粒的团聚性较强,主要发育为团聚状结构单元体。
图1 颗粒定向分布直方图F ig.1 Histogram of orientation frequency of particles2 2 基于SE M 图片的孔隙定量分析表2和图3是试样微观孔隙定量分析成果。
从图表中数据可以看出,样品大孔隙较少,>20 m 、10~表1 研究路段微观结构颗粒直径分析成果(%)Table 1 Results of micro -structure unit particle diameter of all sam ples(%)编号取样深度(m)<1 m 1~2 m 2~5 m 5~10 m 10~20 m >20 m 3-2垂直0 8505 151 338 55 103-2水平14 351 830 43 63-4垂直1 3508 955 433 91 803-9垂直2 1503 036 448 59 13 03-10垂直2 403 238 748 49 703-10水平0047 244 48 303-11垂直2 5507 955 323 713 203-11水平0026 953 819 203-12垂直2 70045 940 513 503-12水平0041 948 49 703-13垂直2 850040 737 022 203-13水平32 028 036 0注:垂直、水平为不同深度样品的剖面、平面的观察表面。
图2 土样SEM 图片Fig.2 SEM pictures of the soil sample表2 土样微观孔隙直径分析成果表(%)Table 2 Results of diam eter of micro -pores ofsoil samples(%)编号取样深度(m)<1( m)1~2( m)2~5( m)5~10( m)10~20( m)>20( m)3-2垂直0 8526 639 118 814 11 603-2水平48 028 617 35 11 003-4垂直1 3539 139 117 44 3003-9垂直2 1543 929 324 42 4003-10垂直2 444 034 010 010 02 003-10水平50 030 016 32 51 303-11垂直2 5534 431 124 68 21 603-11水平35 122 835 17 0003-12垂直2 734 030 224 57 53 803-12水平41 226 523 55 92 903-13垂直2 8528 923 734 213 2003-13水平6 538 748 46 5图3 孔隙定向分布直方图Fig.3 Histogram of orientation frequency of pores20 m 的孔隙几乎为零,5~10 m 的孔隙较少量,而主要的孔隙主要集中在<1 m 和1~2 m 两个区段,说明微孔隙发育,颗粒间的接触多为边-面形式,且孔隙的连通较好,可能提供较好的水分迁移通道。
这与直接从图2SE M 照片上观察到的现象基本一致。
从图4中的土样SE M 图像分析来看,样品均呈絮聚状结构。
粘土矿物以伊利石和伊蒙混层矿物为主,主要结构类型为絮凝体和团聚体,胶结物多位于结构单元体之间以 桥 的形式胶结颗粒,胶结物主要有粘土矿物,且一些粘土矿物晶体结晶不好,结构连结形式主要是接触连结和结合水连结,相对来讲,这种连结方式比较牢固,所产生的结构强度比较大。
这种连结类型可以随着含水率的变化而转变,从而使土的结构强度也随之增长或者减弱。
结构类型主要以絮凝状、团聚状、絮凝 团聚状结构为主。
从孔隙总体上分析,结构连结好,且连通性好,颗粒均无明显的定向性,可见颗粒基本上呈现均匀性。
由于样品的团聚性较高,小孔隙相对不十分发育,中孔隙和大孔隙较多。
纵、横向样品分析可见,其微观结构是均匀的,土体基本上不具有各向异性。
即在外界条件相同情况下水分迁移的通道在水平和垂直方向均具有相同的性质。
3 微观结构对土体水分迁移的影响3 1 粒度及结构单元体对土体水分迁移的影响通过对长吉北线路段冻、融土进行颗粒分析试验,研究区季节性冻土的粒径主要以粉粘粒为主,这正是引起毛细水上升和水分迁移的主要粒径,且通过分散试验发现,该路段土体含有一部分由粘粒与粉粒结合形成的具有一定抗水性能的 假粉粒 [2],按粒度成分分类定名为粉质轻亚粘土、粉质重亚粘土 粘土。
同样,经过SEM 图片分析,发现长春各路段的土体基本图4 土样SEM 图片Fig.4 SEM pictures o f soil sam ples上粒径在>20 m 和<1 m 的颗粒很少,在SEM 图片中基本上没有这两种粒径,1~2 m 的粒径也较少,主要的粒径区段在2~5 m 和5~10 m 这两个区段,可见颗粒的团聚性较强,主要发育为团聚状结构单元体。
由于这种假粉性的粒径的存在[3~6],使得土体粒间存在一定量的结合水和毛细水,正是结构单元体内的结合水量是产生水分迁移的主要水量的来源,这就再度引发了水分的迁移。
从野外监测数据中可以看到[2],长吉北线的高粘粒含量同样引起毛细上升较高,产生水分迁移量较大的原因是由于这些假粉粒的存在,使得粒间(结构单元体间)的毛细孔隙较多,而粒内(结构单元体内)的孔隙较小,且主要以结合水为主,这就为水分迁移提供了物质来源,而结构单元体间的孔隙则为水分迁移提供了方便通道。
3 2 微观孔隙对土体水分迁移的影响由表2和图3可知各土体的各级孔隙发育,且连通性较好,经过微观孔隙定量分析可知土体中大孔隙较少,>20 m 、10~20 m 几乎为零,5~10 m 的中孔隙也不发育,但是孔隙主要集中在<1 m 和1~2 m 两个区段,说明微孔隙发育,可见颗粒间的毛细孔隙较多,从SEM 图片上可见粒间的接触多为边-面形式,且孔隙的连通较好,所以研究路段大部分土体中毛细性较强,为水分迁移提供较好的通道,这种现象产生的结果是土体的毛细上升高度较高[2,12]。
它是引发冻胀的主要因素,因此,为了有效地减少冻胀的发生,对地基土体进行处理的主要方法之一是打散假粉粒、减少孔隙,进行最有效的压实地基土。
3 3 土体微观结构类型对土体水分迁移的影响从SEM 图像分析来看,研究区季节性冻土的微观结构均呈絮凝状结构,构成粘粒的粘土矿物以伊利石和伊蒙混层矿物为主,这种呈现片状的矿物以絮凝体和团聚体的形式存在于土体中,胶结物多位于结构单元体之间以 桥 的形式胶结颗粒,且胶结物主要有粘土矿物,且一些粘土矿物晶体结晶不好,结构连结形式主要是接触连结和结合水连结,这种连结方式相对来讲,比较牢固,所产生的结构强度比较大。
这种连结类型可以随着含水率的变化而发生不同程度的转变,从而使土的结构强度也随之增长或者减弱,由于团聚性的结构存在,且结构单元体的排列不具有定向性,粒内微小孔隙发育,土体尽管在粘粒含量较高的情况下,表现出孔隙主要在1~2 m 内分布,即毛细孔隙极发育,因此,这种孔隙不仅提供了土体的毛细水上升的通道,也使得大量的结合水具有存在的空间。
4 结论研究路段主要以粉粘粒为主,且主要的粒径区段在2~5 m 和5~10 m 这两个粒径区段,土体的团聚性较强,粒间孔隙发育。
因此,粘粒是提供结合水及水分迁移的物质条件,而团聚体中的孔隙提供了水分迁移的空间条件,这就使得在冻结情况下,即使在较低地下水位的情况下,土体中仍然存在大量的可供迁移的水量和迁移的通道,即研究区季冻土土体的水分迁移特性在含水率不高的情况下,仍然能产生冻害。
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