大興安嶺多年凍土起始凍結(jié)溫度測(cè)試研究

1、大興安嶺多年凍土起始凍結(jié)溫度測(cè)試研究牛兆君1,張喜發(fā)2冷毅飛2(11大慶油田工程有限公司,黑龍江大慶163712;21吉林大學(xué)建設(shè)工程學(xué)院,長(zhǎng)春130026【摘要】采用測(cè)溫法對(duì)取自大興安嶺多年凍土區(qū)凍土土樣進(jìn)行了起始凍結(jié)溫度試驗(yàn)。較詳細(xì)地闡述了起始凍結(jié)溫度試驗(yàn)原理、試驗(yàn)儀器設(shè)備組成以及試驗(yàn)步驟。本次試驗(yàn)完成了48個(gè)土樣的起始凍結(jié)溫度試驗(yàn),分析了含水量和有機(jī)質(zhì)含量對(duì)起始溫度的影響,總結(jié)出粉土起始凍結(jié)溫度隨含水量的增大而增高直至接近于0,回歸曲線(xiàn)與實(shí)測(cè)曲線(xiàn)相關(guān)程度高?！娟P(guān)鍵詞】起始凍結(jié)溫度;含水量;有機(jī)質(zhì)【中圖分類(lèi)號(hào)】T U445【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1001-6864(200906-008

2、6-02RESEARCH ON THE INITIA L FREEZING TEMPERATURE OF PER MAFR OSTIN DA HINGGANG LING MOUNTAINNI U Zhao2jun1,ZH ANG X i2fa2,LE NG Y i2fei2(11The Engineering Ltd.of Daqing Oilfield,HeilongjiangDaqing163712,China;21C ollege of C onstruction Engineering,Jilin University,Changchun130026,ChinaAbstract:Usi

3、ng the method of therm ometry,the initial freezing tem perature of sam ples is obtained which are from permafrost regions in Da Hinggang Ling M ountain1It introduces the test of initial freezing tem perature in detail including the principle,instrument and equipment and operation steps1In this test

4、initial freezing tem perature of forty2four s oil sam ples are finished and it analyses the influencing factors such as water content and organic matter1It summarizes that the initial freezing tem perature of silt increases by water content increas2 ing till close to zero degree1The relative degree

5、of regression curve and measured curve is high1 K ey w ords:initial freezing tem perature;water content;organic matter眾所周知,土壤的凍結(jié)與融化過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是土壤水分的相變過(guò)程,當(dāng)土壤中的熱量通過(guò)對(duì)流、傳導(dǎo)等方式被放出并使其溫度降低到土壤的起始凍結(jié)溫度時(shí),其中的水分便開(kāi)始凍結(jié)。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下純凈自由水的凍結(jié)溫度是0,而土壤中的孔隙水因其與土顆粒表面的相互作用以及含有某種數(shù)量的鹽分,其凍結(jié)溫度要低于0。不同的土具有不同的凍結(jié)溫度,所謂凍結(jié)溫度是指孔隙水穩(wěn)定凍結(jié)的溫度。孔隙水凍結(jié)的同

6、時(shí)伴隨著土體積增大,析冰作用和土顆粒凍結(jié)。土的凍結(jié)溫度值對(duì)確定土的凍結(jié)深度和融化深度具有重要意義1。凍結(jié)深度和融化深度在多年凍土區(qū)石油管道、公路路基和建筑物地基的融沉和凍脹等災(zāi)害研究中是必不可少的。此外,在農(nóng)田水利方面有關(guān)凍融土壤入滲規(guī)律、凍融土壤水分遷移運(yùn)移規(guī)律、土壤墑情研究中,土壤凍結(jié)深度的確定至關(guān)重要。1試驗(yàn)概況111試驗(yàn)原理圖1為土壤中水凍結(jié)的過(guò)程曲線(xiàn)1。由圖可知,土壤凍結(jié)的過(guò)程經(jīng)歷過(guò)冷(AB段、跳躍(BC段、恒定(C D段和遞降(DE段4個(gè)階段。土壤凍結(jié)實(shí)質(zhì)上就是土壤中的液態(tài)水變成固態(tài)冰的過(guò)程。在這一過(guò)程中,液態(tài)水中先形成很小的分子集團(tuán)稱(chēng)為結(jié)晶中心或生長(zhǎng)點(diǎn),這種分子集團(tuán)再生長(zhǎng)變成稍大

7、一些團(tuán)粒,稱(chēng)為晶核,最后由這些小團(tuán)粒結(jié)合或生長(zhǎng)、產(chǎn)生冰晶。冰晶生長(zhǎng)的溫度稱(chēng)為水的凍結(jié)溫度或冰點(diǎn)。結(jié)晶中心是在比冰點(diǎn)更低的溫度下才形成的,所以在過(guò)冷階段,土壤中水處于負(fù)溫,但無(wú)冰晶存在,土壤溫度隨時(shí)間線(xiàn)性降低。溫度跳躍階段,土壤中水形成冰晶芽和冰晶生長(zhǎng)時(shí),立即釋放結(jié)晶潛熱,使土溫驟然升高。恒定階段為土壤水相變?yōu)楸倪^(guò)程。遞降階段,隨著土壤中的水部分相變成冰,水膜厚度減薄,土壤顆粒對(duì)水分子的束縛能增大及水溶液中離子濃度增高,土壤溫度持續(xù)降低1。根據(jù)曲線(xiàn)中溫度跳躍的特征,得到跳躍后最高且穩(wěn)定點(diǎn)的溫度即為土壤的起始凍結(jié)溫度,即圖1中C點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度 。68低溫建筑技術(shù)2009年第6期(總第132期112

8、試驗(yàn)儀器設(shè)備測(cè)溫法試驗(yàn)裝置由零溫瓶、低溫瓶、數(shù)字電壓表、熱電偶、受熱塑料筒和試樣杯等組成。熱電偶、數(shù)字電壓表和零溫瓶組成測(cè)溫系統(tǒng)。熱電偶宜用012mm 的銅和康銅線(xiàn)材制成,應(yīng)按JJ G 115-90標(biāo)準(zhǔn)銅鎳銅(康銅熱電偶檢定規(guī)程進(jìn)行檢定,其標(biāo)定系數(shù)都在K 140V ,精度是很高的。所使用的數(shù)字電壓表型號(hào)分別為PZ 126和PZ 1582,分辨分別為1V 和011V ,參照J(rèn)J G 250-90電子電壓表檢定規(guī)程進(jìn)行檢定,均滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。低溫瓶?jī)?nèi)盛CaCl 2冰水混合物。受熱塑料筒兩端封閉置于低溫瓶中。試樣杯用黃銅制作置于受熱塑料筒內(nèi)。113試驗(yàn)方法步驟參照文獻(xiàn)2、3、4要求進(jìn)行試驗(yàn),要點(diǎn)如下:

9、(1將其它試驗(yàn)項(xiàng)目切樣后余土保存在冰箱中,試驗(yàn)時(shí)取出敲碎保濕融化后,挑出影響熱電偶插入的粗礫等,裝實(shí)裝滿(mǎn)試樣杯,并取土測(cè)定含水量。(2將熱電偶工作端插入試樣杯,并用硝基漆密封。先將試樣杯放入冷浴預(yù)冷槽中降溫,用電壓表監(jiān)視,溫度控制在210左右。(3使用CaCl 2,冰液比例21左右,控制溫度在-8-10左右。(4將塑料筒放入低溫瓶中,再將試樣杯放入塑料筒內(nèi),連接好測(cè)試儀表。(5每分鐘測(cè)量一次熱電壓值,當(dāng)數(shù)值突然減小并三次穩(wěn)定時(shí),結(jié)束試驗(yàn)。114資料整理繪制凍結(jié)過(guò)程曲線(xiàn),如圖2。取電勢(shì)躍變后穩(wěn)定值,通過(guò)計(jì)算公式得到土的起始凍結(jié)溫度。凍結(jié)溫度計(jì)算公式為:T =V K (1式中,V 為熱電勢(shì)跳躍后的

10、電壓穩(wěn)定值,V ;K 為熱電偶標(biāo)定系數(shù),V 。2試驗(yàn)結(jié)果及分析先后春秋兩次共完成48個(gè)凍土樣的起始凍結(jié)溫度試驗(yàn)5。涉及粉質(zhì)粘土、粉土、粉砂、礫砂、角礫、風(fēng)化粉砂巖、各種泥炭化土(粉質(zhì)粘土、粉土、礫砂、角礫和泥炭土等。分析試驗(yàn)結(jié)果,可總結(jié)出影響凍結(jié)溫度的一些因素和規(guī)律。首先,含水量和凍結(jié)溫度的密切關(guān)系。18個(gè)粉土(包括泥炭化粉土含水量和起始凍結(jié)溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示,粉土含水量不同時(shí),起始凍結(jié)溫度隨含水量的增加而增高直至接近于0。圖3為粉土起始凍結(jié)溫度與含水量關(guān)系曲線(xiàn)。回歸分析結(jié)果如下:T =811278e-011616W;R 2=019805;m =2,n =18;F =8041512>F 0

11、101(2,15=6136有機(jī)質(zhì)含量的影響是顯著的。例如,16個(gè)一般粉土、粉質(zhì)粘土平均凍結(jié)溫度為-0114,含水量25111%,而另10個(gè)泥炭化的黑色的粉土、粉質(zhì)粘土的平均凍結(jié)溫度為-0130,雖然含水量為5110%。這充分說(shuō)明有機(jī)質(zhì)的存在起著降低凍結(jié)溫度的作用 。能說(shuō)明含水量?jī)?yōu)勢(shì)影響的突出例子是春季7#土樣。該樣雖然有機(jī)質(zhì)含量高(燒失量Q 0=15139%,但由于其總含水量太大(W =182113%,結(jié)果致使其凍結(jié)溫度僅為-0112,比上述泥炭化粉土、粉質(zhì)粘土凍結(jié)溫度平均值(-0130要高。春季16#土樣W =18194%,細(xì)粒(<01075含量C =27123%,雖土質(zhì)定名為粉砂,但

12、是褐紅色風(fēng)化巖。秋季6#土樣W =19124%,C =26152%,為一般粉砂。前者凍結(jié)起始溫度為-0176,后者僅為-0123,這可看做礦化成分的影響。由于含水量和有機(jī)質(zhì)含量因素干擾,特別是送驗(yàn)山區(qū)土樣大都不均勻,粗粒土中有較多細(xì)粒,細(xì)粒土中常摻雜些砂礫,致使試驗(yàn)結(jié)果對(duì)土的粒度組成的影響體現(xiàn)不夠明顯,顆粒粗的土樣也有凍結(jié)溫度低的。3結(jié)語(yǔ)本文試驗(yàn)結(jié)果反映含水量和有機(jī)質(zhì)對(duì)起始凍結(jié)溫度影響規(guī)律比較明顯,特別是粉土含水量與起始凍結(jié)溫度回歸方程式相關(guān)度高,可供大興安嶺山區(qū)工程實(shí)踐參考。受由于起始凍結(jié)溫度受含水量大小、粒度組成和礦物成分、土中水的化學(xué)成分濃度等影響1,因此該指標(biāo)一般需要實(shí)測(cè)。參考文獻(xiàn)1H A 崔托維奇1凍土力學(xué)M1張長(zhǎng)慶,朱元林譯1徐伯孟較1北京:科學(xué)出版社,198512徐學(xué)祖,王家澄,張立新1凍土物