1、第 45 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.45，No.1Feb.，2023冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY不同成冰机制下冻结锋面附近水分积聚模式及其工程环境意义张莲海1，5，马巍1，2，石亚军1，2，黄永庭3，韩大伟1，4，杨成松1，2，尚飞1，2，周成林1（1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院大学，北京 100049；3.甘肃省科学院 地质自然灾害防治研究所，甘肃 兰州 730000；4.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122；5.磁共振冻
2、融成冰过程动态分析联合实验室，甘肃 兰州 730000）摘要：土冻结过程中的水分迁移积聚与冰分凝关系密切，但两者之间的耦合关系至今仍不清晰。借助孔隙水压力测试以及多层核磁测试技术，通过系列土冻结试验，研究了水分积聚与冰分凝之间的动态耦合关系。试验结果发现粉质黏土和本文试验用兰州黄土在冻结过程中均在冻结锋面附近存在明显的水分积聚现象，但水分积聚模式存在明显差异。本文试验用兰州黄土在封闭系统条件下发生冻结时，未观察到分凝冰生成，孔隙水压力以上升为主，在冻结初期冻结锋面附近观察到明显的液态水积聚现象；而在粉质黏土的冻结过程中，可观察到冰分凝产生，孔隙水压力以下降为主，在冻结锋面附近未观察到液态水积聚
3、现象。分析上述现象认为，在土体冻结过程中冻结锋面附近的水分积聚存在两种模式：1）压排式积聚：由于无分凝冰形成（孔隙冰的形成），冻结区（近饱和或饱和的情况下）与未冻区的水分在水压力梯度的驱使下向冻结锋面处迁移；2）冷吸式积聚：由于分凝冰的形成，未冻区的水分在吸力的驱使下向冻结锋面处迁移。值得注意的是，这两种土体冻结过程中的水分积聚模式及其影响权重与分凝冰的形成与否有着密切关系：无冰分凝的情况下，只可能在冻结初期存在压排式水分积聚；而当存在冰分凝时，在冻结初期几乎没有压排式水分积聚，在冻结后期则以冷吸式水分积聚为主。不同成冰机制下的水分迁移及积聚模式可以进一步细化土体冻结过程中的水热动态过程，这一
4、发现将对寒区道路工程的病害机制研究、防治措施设计以及厚层地下冰的形成机制有重大参考价值。关键词：冰分凝；水分累积；未冻水；水分迁移；孔隙水压力中图分类号：P642.14 文献标志码：A 文章编号：1000-0240（2023）01-0031-110 引言 冻土作为一种特殊土体介质，是寒区工程、环境和气候研究的重要对象。全球冻土主要分布在北半球，其中多年冻土区约占北半球陆地面积的24%，中国的多年冻土区面积约2.15106 km2，居世界第三位，主要分布在青藏高原以及东北大、小兴安岭和天山、阿尔泰山；季节冻土分布于中国长江以北，其面积约占陆地面积的74%1。而青藏高原现有多年冻土的面积约为106
5、104 km2，约占整个青藏高原面积的40%2。多年冻土研究是冰冻圈科学研究不可缺失的一环，厚层地下冰形成、寒区生态环境、寒区水文过程等均与活动层内部的水热动态密切相关；而水分迁移和冰分凝机制的探索则是揭示活动层内部水热动态的关键1-3。此外，随着经济的快速发展，大量的构筑物在寒区建设，包括铁路、DOI：10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0002ZHANG Lianhai，MA Wei，SHI Yajun，et al.The modes and its implications of water accumulation near the freezing front
6、 during soil freezing with considering ice segregation J.Journal of Glaciology and Geocryology，2023，45（1）：31-41.张莲海，马巍，石亚军，等.不同成冰机制下冻结锋面附近水分积聚模式及其工程环境意义 J.冰川冻土，2023，45（1）：31-41.收稿日期：2022-04-25；修订日期：2022-11-01基金项目：国家自然科学基金重点项目（41630636）；国家自然科学基金青年项目（41501072）；第二次青藏高原综合科学考察研究项目（2019QZKK0902）；冻土工程国家重点实
7、验室自主课题（SKLFSE-ZT-202107）资助作者简介：张莲海，副研究员，主要从事土水相变理论及其在冻土工程环境方面应用的研究.E-mail：通信作者：马巍，研究员，主要从事冻土力学及冻土工程研究.E-mail：45 卷冰川冻土公路、输电线路和石油管道等4。冻胀是导致寒区工程建设及运行过程中病害频发的主要原因，水分迁移和冰分凝是冻胀研究的核心问题5。近年来，高速铁路在寒区的建设逐渐增多，而高速铁路的高防冻胀设计标准对冻土内部水分迁移和冰分凝机制的理解提出了更高的要求6。综上所述，水分迁移和冰分凝过程研究对于探索活动层内部水热动态、冻胀以及微冻胀机理具有十分重要的意义。以往的水分迁移研究主
8、要集中在易形成分凝冰的细颗粒土，并假定冰分凝形成是导致水分迁移的前提条件7，即：土体冻结过程中的水分迁移是与冰分凝过程耦合在一起的。基于此，大量研究系统地探讨了冰分凝机制，以及以冰分凝过程为基础的水分迁移机制5。冰分凝过程主要包括冰分凝初始和分凝冰生长两个阶段8-9。冰分凝的初始条件依赖土体冻结过程中温度场、水分场及应力场的综合效应。研究指出，在冰水相变过程中，当孔压大于约束土体冰分凝的上覆荷载、抗拉强度或黏聚力时，冰分凝开始产生5。比如：Miller10-11认为当孔压超过或者达到某一临界值时土颗粒彼此分离，而孔隙冰继续生长进而形成新的分凝冰，此时上覆荷载完全由分凝冰承担。Gilpin12和
9、 Nixon13在此基础上引进了分离压的概念，认为当孔压大于总压力与分离压的总和时开始形成分凝冰。何平等14则认为当孔隙水压力大于（或等于）土骨架有效应力与土体黏聚力之和时分凝冰开始形成。Akagawa等15则认为当冰压大于上覆荷载与抗拉强度总和时分凝冰开始形成。冰分凝初始以后，水分迁移为冰分凝过程提供了源源不断的水分补给，保证了冰透镜体的继续生长。Bouyoucous16指出土中水并非在一个温度点完全冻结，即：当温度低于土体冻结点时，土中水并未全部冻结，仍会有一定量的未冻水存在。未冻水的存在为冻土中水分的迁移提供了通道17，而未冻水含量的多少主要受土质、温度、基质势、含冰量、溶质和冻结速率等
10、因素的影响。目前已有大量的理论对水分迁移驱动力进行了假设，如：毛细理论、薄膜理论和热分子力理论。毛细理论建立在表面张力基础上，把冻土孔隙假定为毛细管结构，认为固-液界面上冰相和水相之间存在压力差；而这种压力差为水分迁移的主要驱动力，并由杨氏方程表示18-20。薄膜理论认为未冻水膜厚度是温度的函数，暖端厚，冷端薄，而未冻水由膜厚处向膜薄处迁移，并最终达到新的平衡，即：未冻水迁移一般由高土水势的区域迁移到低土水势的区域。热分子力理论从界面自由能和分子力的角度系统地诠释了未冻水膜的形成机理以及水分迁移的驱动力问题，其物理概念更加明确21-23。由此可见，导致水分迁移的驱动力与冰-水相变界面处的冰-水
11、压差变化或冰-水势能变化有着密切关系。尽管存在大量理论假定，但目前仍缺少土体冻结过程中冰-水压差或冰-水势能变化方面的测试工作。温智等24将这种势能变化延伸为基质势变化，认为基质势变化是导致水分迁移的主要驱动力，探讨和改进了冻土基质势测试方法。张莲海等25将这种势能改变延伸为孔隙水压力变化，认为孔隙水压力变化是水分迁移的主要驱动力，并在融土张力计测试的基础上，提出了冻土孔隙水压力测试方法。综上所述，目前关于冻胀和融沉方面的研究大都建立在冰分凝与水分迁移相互耦合的体系框架中。此外，土质是影响冰分凝的关键因素。通常情况下，砂土和黏土不易发生冰分凝，而级配良好的粉质黏土则更易发生冰分凝26。在实际寒
12、区道路工程中，尽管采用换填不易形成分凝冰的土质可以有效防治分凝冰产生以及冰分凝产生导致的水分迁移，但仍不可避免某种程度无冰分凝情况下的水分迁移。比如：在冻土分布区的高速铁路路基中，换填的粗颗粒填料不易发生冰分凝，但仍观测到一定程度的微冻胀，这可能预示着粗颗粒填料存在着无冰分凝情况下的水分迁移过程27。另外，在多年冻土中储存了大量的地下冰，地下冰的变化能够在一定程度上调节地区的水循环过程28。而重复冰分凝是形成厚层地下冰的主要机制29，其中活动层内部的水热动态为冰分凝过程提供了源源不断的水分补给，同时也是分析厚层地下冰形成以及量化的关键。但在厚层地下冰的加积过程中，上覆土体不同的冰分凝特性（有无
13、冰分凝形成）可能会导致不同的水分迁移过程，进而导致活动层内部不同的水热动态过程。由此可见，有无冰分凝形成是研究土体冻结过程中水分迁移动态的关键。为了确定不同成冰机制下的水分迁移动态，服务于冻土工程与冻土环境，本文首先基于层扫描核磁技术开展了黄土和粉质黏土不同补水条件下的冻融试验，并明确了不同成冰机制下土体冻结过程中的水分迁移及其积聚模式；然后测试了不同成冰机制下的孔隙水压力变化模式，并对水分迁移及其积聚模式进行了初步解321 期张莲海等：不同成冰机制下冻结锋面附近水分积聚模式及其工程环境意义释；最后，探讨了无冰分凝形成情况下水分迁移及其积聚的工程和环境意义，为相关实际工程和环境问题防治提供重要
14、支撑。1 试验材料与方法 1.1试验设备1.1.1土体冻融成冰过程动态分析系统试验基于土体冻融成冰过程动态分析系统（MacroMr12-150H-I，苏州纽迈分析仪器股份有限公司），该设备主要由磁体单元、射频系统、土样控温系统、补水系统、成像系统以及显示系统等组成，如图1所示。相较于传统的核磁测试设备，该设备“测试样品大”，而且附加了“在线单向控温、分层扫描测试、补水条件设置、位移监测以及实时成像”等功能，专门用于监测土体单向冻结过程中的成冰过程以及水分迁移动态。该设备测试标准土样的长度为100 mm、直径为90 mm。在试验过程中，将装有标准土样的样品罐放置在磁体单元内腔的稳定磁场中。基于土
15、样控温系统中的冷浴，分别控制样品罐上顶板、下顶板以及罐壁的温度，以满足冻融过程中土样上端、下端以及环境温度边界条件的设定；而样品罐侧面可放置5个光纤温度探头（HT1、HT2、HT3、HT4、HT5，精度为0.05），分别用于观测土样不同位置的温度，如图2所示。控制磁体单元内的梯度磁场进行土样分层定位 将样品分为a至i共9层，层宽均为1.11 cm，如图2（b）所示；而利用射频系统对土样内的水分子进行序列激发，测试其信号衰减进而获得其不同层位的水分组分及含量信息。基于成像系统可以获得土样内的水分分布图像。补水系统可以控制土样下端的补水边界条件（封闭或开放），并实时记录水分的补给含量动态。图1土体
16、冻融成冰过程动态分析系统（1.磁体单元；2.土样控温系统；3.射频系统；4.成像系统；5.补水系统；6.显示系统）Fig.1Dynamic analysis system for freezing and thawing process of soil（1.magnet unit；2.cooling system for soil sample；3.RF system；4.imaging system；5.water supplying system；6.display system）图2样品罐及样品分层Fig.2Sample cell and layers of soil sample：schematic diagram of sample cell（a）；schematic diagram of temperature hole on sample tank and sample stratified distribution（b）3345 卷冰川冻土1.1.2土体冻融过程中孔隙水压力测试系统土体冻融过程中的孔隙水压力测试是在冻融循环试验机（XT5405上）完成的，其具体试验装置如
