基于分层核磁测试新技术的未冻水变化规律研究——以砂土冻融过程为例.docx资源-CSDN文库

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冻土分布广泛，多年冻土和季节冻土约占地球陆地面积的一半

［ 1］

，其物

理力学性质变化以及水热过程研究是冻土工程、冻土环境以及全球气候变化研

究的关键核心因素。冻土是一种特殊的岩土，其特殊性主要表现在以下两个方

面：第一，它的温度不高于 0 ℃；第二，有冰的存在且土颗粒为冰所胶结

［ 2］

。

冻土发生冻结后，并非所有的液态孔隙水都转化为固态冰，由于毛细作用和颗

粒表面能的作用，其始终保持着一定数量的液态水，即未冻水

［ 3-4］

。在土体冻

结过程中，部分未冻水会向冻结锋面迁移并积聚，形成冰透镜体，导致土体冻

胀；反之，当土体温度升高时，冰透镜体融化，土中局部含水率上升，导致土

体承载力下降。冻土作为地基土，其温度场变化影响着冰-未冻水相变动态平

衡，从而导致应力场和水分场响应，进而对冻土承载力、冻胀及融沉变形等物

理力学性质产生影响，改变冻土的工程地质性质。因此，土体冻融过程中的未

冻水和冰含量动态特征以及相变转化是导致土体在冻融过程中物理力学性质

不稳定的一个重要因素

［ 5-6］

。

国内外学者关于冻土未冻水含量变化规律和影响因素已经有了一定的研

究成果，比如土质、温度、基质势、含冰量、溶质和冻结速率等

［ 4］

都会影响

冻土未冻水含量。未冻水细微观观测以及理论分析也有助于揭示冻土相关的冻

融物理力学性质及现象，如水分的迁移通道、冻土特殊物理力学性质等。一些

学者通过研究土体的干密度、粒径变化、颗粒间接触形式等，指出冻融作用后，

土中的团聚体与颗粒大小发生改变，孔隙度与孔径也逐渐改变，从而导致土体

强度与渗透性等物理性质随之改变

［ 7-9］

。孔隙度与孔径的改变，对未冻水分迁

移产生重要影响。同时，冻土特殊物理力学性质也与其内部未冻水含量赋存情

况密切相关。Liu 等

［ 10］

通过对冻土-结构试样进行直剪试验得出界面处冰的冻

结力与土颗粒和混凝土表面的黏聚力构成冻土-结构之间的冻结强度，并且随

温度的降低其峰值越大。沈忠言等

［ 11］

指出造成冻土强度包络线偏离莫尔-库仑

线其中的一个根本原因是围压作用下孔隙冰部分压融和土的冻结温度下降引

起土中未冻水含量增加。因此，微观角度分析未冻水含量的影响因素显得尤为

必要，并且可以为研究非饱和冻土冻结过程中的水汽迁移提供新的研究思路

［ 12］

。

目前已经提出了各种计算未冻水含量的经验模型。徐学祖等

［ 3］

指出冻土

中未冻水含量随温度变化呈指数变化形式。Tice 等

［ 13］

提出了重塑黏土未冻水

含量的指数经验表达式，主要以测定土颗粒的比表面积来确定表达式中的参数。

但目前未冻水含量表达式多为根据实测结果拟合的经验公式，其参数物理意义

一般不明确，而且这些公式仅仅只描述了未冻水含量随温度的变化规律，因而

具有明显的应用局限性。如何准确快速的测试并获得冻融过程中未冻水含量的

变化规律就显得尤为重要。目前关于冻土未冻水含量的测量方法有基于能量守

恒原理的热量法（DSC）

［ 14-15］

，该方法操作与计算比较复杂，易受外界因素

影响，进行大量试验有一定的难度。时域反射法（TDR）

［ 16］

，可用在野外进

行实地观测，但其在测试未冻水含量的过程中，容易导致周围土体升温，存在

稳定性差的局限性。核磁共振法（NMR）

［ 17］

，在未冻水的测试过程中具有直

接性、无损性、测试精度高以及测试方法物理意义明确等优势。但是传统的核

磁测试技术大都针对小样品、离线式控温，因而不能用于分析大样品的水分迁

移过程。本研究采用分层扫描的新技术，可对样品进行分层测试，即获取试样

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