赖远明 黄文熙讲座-冻土水热力特性分析新方法-2015-4-10

二、硫酸盐渍土冻结温度
2.1 硫酸盐渍土分布
青藏高原北麓河地区局部盐 渍土，该地区为多年冻土区，冻
土类型为富冰冻土，土质为亚粘
土，存在大面积的盐渍化现象 。
离子分布
土壤中SO42-、Cl-、Na+离子的含量占绝对优势。盐渍土为含 氯化钠的硫酸盐渍土。
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.2 基本假定
在特定含水量下（不考虑含水量对冻结温度的影
M M X X 0 H2O M M z M X M z X 0 H2O
盐分的活度可表示为：
a ( M M X
X
0 )(m ) a w, 0
其中γ±表示离子的平均活度系数：
M X 1/ （ M N ）
二、硫酸盐渍土冻结温度
1
2 m Na m Cl m SO 2
4
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.3 硫酸盐溶液冻结温度
cNa2SO4=0.1958mol/l cNa2SO4=0.3127mol/l
cNa2SO4=0.3915mol/l
Na2SO4 和 NaCl 二元溶液冻 结温度的计算值与实验值 十分接近，说明以上计算
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.6 盐晶体析出对冻结温度影响
溶液过饱和比定义为：
c S csat
Smax与T的关系
其中，c为溶液浓度，csat为溶 液饱和浓度。 饱和浓度与温度之间的试验关 系为：
csat 0.3165 1.0773
T
Smax与c0的关系
硫酸钠盐渍土初始浓度越高，溶 液最大过饱和比越小，盐晶体越 发容易析出。
在 定 压下 ， 如 水分活 度 变化 daw ，即 aw→aw+daw ， 则 T→T+ dT，建立新的平衡：
w d w i d i
则有：
w w i ( ) p , aw dΤ ( ) Τ , p daw ( ) p dΤ Τ a w Τ
二、硫酸盐渍土冻结温度
俄-中输油管线 新藏公路
大连
黑大公路、哈大客专
玉树
西线南水北调
青藏铁路
青藏高速公路
大理
青康公路（高速）
一、研究背景
内陆盐渍土 沿海盐渍土
高原盐渍土
我国盐渍土面积约20多万平方公里，居世界第四。
一、研究背景
冻融作用与盐渍化 作用重叠、相互影 响：
伴随水热过程的 盐分迁移
影响路基工程热、 力、水文状况 路基稳定性问题
响），土体冻结温度由两个部分组成。
T f 土 T f 液 T
溶液冻结温度：取 决于溶液浓度和离 子类型。
土体影响：取决于 孔隙大小和固-液表 面自由能。
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.3 硫酸盐溶液冻结温度
在压力p时，溶液的凝固点为Tf，此时液相与固相平衡。
w (Τ , p, aw ) i (Τ , p)
2.3 硫酸盐溶液冻结温度
溶液中水的化学势为：
w w RT ln aw
代入微分方程有：
RT S w dΤ daw S dΤ m ,i aw
纯水和溶液的凝固点分别为Tf*和Tf，对上式积分变
形后得溶液的冰点温度：
Tf 1 T f T f R L wi ln a w T f
过饱和溶液中生长1mol晶体时，其体系的吉布斯自由能降低为：
G RT ln a a0
对于纯组分体有：
( G )T Vm p
则特定温度下可变为：
p RT a ln Vm a0
二、硫酸盐渍土冻结温度
对于晶体若其组成为固定形式MυMXυX·υ0H2O，其由υM个带
zM电荷的正离子和υX个带zX电荷的负离子和υ0个水分子组成。 其晶体溶解反应为：
二、硫酸盐渍土冻结温度
土样初始孔径分布与累计进汞量关系
二、硫酸盐渍土冻结温度
土样降温曲线
硫酸钠含盐量3.8%
硫酸钠含盐量2.6%
汇报提纲
一. 研究背景
二. 硫酸盐渍土冻结温度 三. 晶体生长的微观过程 四. 土体冻结过程水-热-力相互作用机理
三、晶体生长的微观过程
3.1 相变驱动力
熔体-晶体体系共存，两相自由能之差为：
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.6 盐晶体析出对冻结温度影响
硫酸钠盐渍土冻结温度
对于含水量为18%
的青藏高原粉质粘土，
当含盐量大于1.8%时， 土体冻结温度以上会有 盐晶体析出，造成冻结 温度先回升后递降。
(Wan & Lai*, Permafrost and Periglac. Process, 2015, IF=3.0).
融化期
一、研究背景
在冻融循环和盐分侵蚀的双重作 用下，道路病害更加严重！
一、研究背景
水分 迁移 盐分 迁移
冻胀
结晶
融化
水分聚集 及消散
土体 结构
盐胀
道路破坏
开展对冻融作用、干湿循环和盐分迁移及其综 合作用对寒区工程稳定性的影响研究是非常必要的。
汇报提纲
一. 研究背景
二. 硫酸盐渍土冻结温度 三. 晶体生长的微观过程 四. 土体冻结过程水-热-力相互作用机理
因此,冰-水相变的驱动力为过冷度ΔT
三、晶体生长的微观过程
3.2 成核临界半径及形成功
对半径为r的球形晶核的均相成核过程，其总的自由能写为：
4 πr 3 Lcl ΔT 2 ΔGc = + 4 π r γsf * 3 Vm T
自由能 (J)
10
-18
晶核形成是系统中体积自由能和表面自由能共同作用的结果，
2 slVsT f solution Lwi r0
Tf soil
第一项由溶液性质决定:
aw
1
Tf soil
当溶液为纯水时，第一项等于0
第二项由结晶半径及冰液表面自由能决定: Tf solution Tf soil r0
当冰液接触面为平面，土体冻结温度等于溶液冻结温度
二、硫酸盐渍土冻结温度
方法是可行的。
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.4 土体对冻结温度的影响
冰晶生长过程中
r
受到冰和水压力差的
溶液
冰 晶 生长
pl

作用，△p= pi- pl，结 晶压力与晶体尺寸及 其表面张力有关：
sl
冰 晶 pi
r0
γsl 为冰液表面自由能， r 为孔隙半 径， r0为初始结晶半 径。
p sl
f Ae k
其中： A 1.763ln c0 1 0.645ln c0 0.7787
k 0.0265
T
相同含水量时，溶液初始浓度越大，冻结温度以下未冻含 水量越小，当温度低于-10℃时，未冻含水量基本不再变化。
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.8 硫酸盐渍土盐胀力及盐胀对土体影响
强度（kPa）
一、研究背景
沉降变形
水热侵蚀
工程的修建改变了原有冻土环境的水热平衡状态，随着全球气 候变暖和多年冻土的退化，冻融灾害对寒区道路的破坏日益严 重，危及交通安全。
纵向裂缝
道路翻浆
一、研究背景
未冻融（放大100）
冻结期
路基承载力 及结构破坏
9周期（放大100）
反复冻融的盐渍化路 基填料孔隙度增大 路基盐胀及沉陷
η表示温度影响系数：
(0.2343c0 1.0485)e 0.015T
盐结晶引起的未相变含水量 计算值与试验值最大差值不超 过0.4%。
硫酸盐渍土未相变含水量的计算 值与试验值
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.7 未相变含水量与温度关系
（2）水结冰引起的含水量变化 冻结温度以下盐晶体析出很少，含水量的变化主要由冰水 相变决定。此时，未冻水量随温度变化规律为：
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.7 未相变含水量与温度关系
根据硫酸钠盐渍土信号强度与 温度关系可知，未冻水含量的变
化与盐分结晶和水分结冰有关。
（1）盐晶体析出引起的含水量变化

(180c0 w ) 0 (1.2676r ' 1) w 2.2676 0 ( w r ' 142c0 )
dA dV
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.4 土体对冻结温度的影响
冻结过程需要克服固液表面自由能做功，做功的大小等 于降温所需的能量。因此，可建立如下平衡方程：
Liw T f solution
dA T Vs sl dV
Vs表示冰晶的摩尔体积，ΔTγ表示由克服冰液表面自由能引 起的温度降低值。Tf-solution表示溶液的冻结温度。
通过推导可得到盐结晶压力为：
p
RT
Vm
(ln
c 0 ln w ) c0 w, 0
式中：c为溶液的摩尔浓度，c0为溶液的饱和摩尔浓度。水分 的摩尔分数χw。
实验采用青藏高原粉质粘土。含盐量依为1%、2.6%、3.8%， 含水量为18%。干密度均控制在1.82-1.90g/cm3之内，尽量 减小土体空气孔隙率。土将配好的土样装到有机玻璃罐中， 使土样直径为10.0cm，高度为13.4cm。
初始结晶半径:
r0
2 slVsT f solution Lwi T
二、硫酸盐渍土冻结温度
2.5 硫酸盐渍土冻结温度
通过上述分析，硫酸盐渍土冻结温度表示为：
Tf 2 slVsT f solution Tf T R Lwi r0 1 f ln aw Lwi
盐渍土信号强度与温度关系
其中，θ0为初始含水量，c0为溶液初始浓度， r ’为温度T’时