土体冻胀和盐胀机理

第13卷第6期1998年12月

地球科学进展

ADVANCE IN EARTH SCIE NCES

Vol.13No.6

Dec.,1998土体冻胀和盐胀机理

在国家自然科学基金及冻土工程国家重点实验室基金资助下,项目组与俄罗斯和日本学者合作,从土体冻胀和盐胀的基本影响因素及其相互关系、土中水的成冰作用和冷生组构、土体冻胀机理及含盐土的盐胀和冻胀等方面,对土体冻胀和盐胀机理进行了深入研究,提出许多全新的观点和理论,出版专著1部,发表论文40篇(其中国内18篇、国外22篇), SCI收录1篇、ISTP收录10篇。与国内外同类研究相比,在下列方面具有开拓性和首创性:

(1)在土体冻胀四因素土质、水分、温度和压力的基础上,首次增加了盐分因素。测定了含氯化钠、硫酸钠和碳酸钠土的土水势、溶解度和未冻水含量随含水量或温度的关系曲线,利用杠杆原理对含氯化钠盐土的二次相变规律进行了分析,根据冻结温度叠加原理,提出了能考虑土中初始含水量、盐类及含量、温度和压力因素的未冻水含量综合预报模式。

(2)从工程应用角度出发,提出根据土体孔隙大小和含量来评定土体冻胀敏感性的定量指标,比传统根据土的粒级评定方法更具有科学性。

(3)首次利用扫描电子显微镜开展了冻土颗粒外围未冻水膜形态研究。发现蒙脱土矿物颗粒外围有平整、弯曲和弥散三种形态,而高岭土矿物和多矿物颗粒外围的未冻水膜则为平整型。这为分析正冻土中薄膜水运移提供了实验依据。

(4)研究了土体冻胀五要素对土中水成冰的影响及其冷生构造。发现其他条件相同时,侵入水压力将促进冰分凝,纠正了压力增大冰分凝减弱说法的片面性,指出必须注意施加外力的方向与水分迁移方向的关系。首次发现含硫酸钠和碳酸钠正冻土随浓度增大,其冷生构造将从微层状向网状构造过渡。拓展了含盐土体冻胀盐胀的视域。

(5)首次开展了不同气压(包括真空)条件下冻土孔隙特征研究。指出真空环境下,冻土的孔隙体积及大孔径数量均会增加。多向冻结条件下,随气压增高冻土冷生构造由网状向多枝状过渡;单向冻结条件下,垂直冰条带沿温度梯度减小方向增多。该研究对分析行星冻土特征具有重要参考价值。

(6)提出单向冻结条件下土颗粒位移的热筛效应和对流迁移理论。对解释冷生剖面再造和不良物理地质现象具有重要意义。

(7)开展了浓度梯度诱导的已冻土冻胀试验,证实了已冻土不是物理化学宁静区,即使在等温条件下,由于浓度梯度也可诱导热迁移和变形等一系列物理过程出现。

(8)提出了预报正冻土中冰分凝温度和冻结缘位置的计算方法及含盐土盐胀量的计算模式。

上述开拓性和首创性研究进展中,对水、盐和冻胀机理研究、含氯化钠冻土二次相变分析及单向冻结时土颗粒位移的热筛效应和对流迁移理论等,均达到国际领先水平;拓展了冻土学的研究领域)))从正冻土扩展到已冻土;从水分迁移研究扩展到水、盐共轭输运研究;从上部荷载条件扩展到真空条件。从宏观到微观、从定性到定量,深化了冻土学的内涵。

该项研究成果获1998年度中国科学院自然科学奖三等奖。

(中国科学院兰州冰川冻土研究所徐学祖)