季冻土冻结温度影响因素的研究现状

季冻土冻结温度影响因素的研究现状

薛东升 ,上官云龙 ,王罡

吉林建筑大学 交通科学与工程学院，吉林长春 130000

摘要：在季冻区工程建设、人工冻结施工以及数值模拟计算中，冻结温度都是必不可少的最基本参数，具有重要的理论意义和工程实践意义。本文论述了近年来学者对冻结温度影响因素的研究现状，并对今后的研究方向提出展望，指出应从微观角度土体冻结温度的影响因素进行详尽的理论分析。

关键词：冻结温度；冻结温度影响因素；预报模型。

0引言

冻结温度是判断土是否处于冻结状态的重要物理性质指标，对于研究路基冻结深度变化过程和温度场演变规律具有重要作用[1]，也是影响冻土中水分迁移、分凝冰生成以及冻胀的重要因素[2]。通过测定不同初始含水量下土的冻结温度还可以快速预报冻土中未冻水含量[3]。20世纪以来，许多学者对土的冻结温度进行过研究，伴随人工土冻结法的应用与发展，土体冻结温度的影响因素成为日益重要的研究课题。

1冻结温度影响因素

已有研究表明，土体的冻结温度受上覆荷载、降温速率、含水率、含盐量、土壤粒径等因素的共同影响，不同因素的影响机理不同，影响程度不同。

徐敩祖[3]等学者通过实验室内试验发现水的冻结温度变化是因为土体中土水势的变化引起的。Panday等[4]研究表明在盐碱地区，水分的迁移伴随着溶质的迁移和相互作用，从而影响了土体的冻结温度和未冻水含量。崔广心、李毅[5~6]在有压条件下对砂土和粘土的冻结温度进行试验研究，研究表明饱和砂土及粘土的冻结温度随上覆荷载的增大而降低。张婷等[7]以南京地区浅表土为研究对象，发现土体冻结温度随含水率增加呈近似线性升高，随盐分含量增加直线降低，而干密度的变化对土体冻结温度影响不大的规律。Bing等[8]通过试验表明：土的冻结温度随含盐量的增加而减小，随含水量的增加而增大，与土壤类型无关，在一定的水盐含量下，细粒土的冻结温度低于粗粒土的冻结温度，土壤粒径对冻结温度的影响随含水量的增加而明显减小，冻结温度还受土壤水中可溶性盐含量的控制，并受常见阴离子和阳离子的影响。Wan等[9]讨论了冰液界面自由能和孔隙半径对冻结温度的影响，并指出在室温下硫酸盐溶液沉淀、结晶过程中产生的额外自由能会影响硫酸盐盐渍土的冻结温度。周家作等[10]通过试验研究表明土的冻结温度只有在含水率低于饱和含水率时才会随含水率增大而升高，当含水率等于或高于饱和含水率时含水率对冻结温度影响不大。邴慧、吴刚等[11]通过试验研究进一步发现，当土中盐含量较低时，水分是影响冻结温度的主要因素；当土体含水率大于饱和含水率时，土样含水率则不会直接影响冻结温度；当土体含水率小于塑限含水率时，冻结温度则会受到含水率增大的直接影响。

2冻结温度预报模型

很多学者考虑冻结温度的影响因素，根据试验及工程数据训练模型，估算、预报土体的冻结温度。

张世银等[12]考虑了影响人工冻土冻结温度的土类、含水量、土体密度及土体深度等因素，采用改进的遗传算法与BP算法结合来训练神经网络，提出一种预测人工冻土冻结温度的模型。基于溶液的冻结温度与水活度有关，Wan等[9]从Pitzer离子模型推导出含有硫酸盐溶液土体冻结温度的计算公式，得到了土壤冻结温度与冰液界面半径的精确关系，并提出了确定青藏高原粉质黏土冻结温度的一般公式，但该理论公式需进一步验证。徐斅祖等[3]建立了未冻水含量与温度的关系；Zhou等[13]土颗粒表面吸附、毛细和溶质对孔隙水能量状态的影响，改进了克拉佩龙方程，得到不同含水量和含盐量土的冻结温度表达式；基于改进的广义克拉佩龙方程，孟祥传等[14]将含盐分土冻结温度表达式引入未冻水含量预测模型，推导并验证了能够考虑不同含盐量影响的土体未冻水含量的定量表达示。

3结论

随着我国经济与基础建设的发展，季冻区的建筑及基础工程不断增加，人工冻结法得到更多应用，进一步研究土的冻结温度是十分必要的。未来关于土体冻结温度及人工冻结法的研究应进一步利用人工智能发展土体冻结温度的预报模型；结合试验研究，从冻结温度形成机理、影响冻结温度的成因、微观形式等角度对土体冻结温度影响因素进行详细理论分析。

参考文献

[1]徐敩祖, J.L.奥利奋特, A.R.泰斯. 土水势,未冻水含量和温度[J]. 冰川冻土, 1985, 7(1):1-14.

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[3]徐斅祖. 冻土物理学[M]. 科学出版社, 2010.

[4]Panday S, Corapcioglu M Y. Solute rejection in freezing soils[J]. Water resources research, 1991, 27(1): 99-108.

[5]崔广心, 李毅. 有压条件下湿砂结冰温度的研究[J]. 冰川冻土, 1994, 16(4):7.

[6]李毅, 崔广心. 有压条件下湿粘土结冰温度的研究[J]. 冰川冻土, 1996, 18(1):4.

[7]张婷, 杨平. 不同因素对浅表土冻结温度的影响[J]. 南京林业大学学报：自然科学版, 2009, 33(4):3.

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[11]吴刚, 邴慧,卜东升. 盐渍土与盐溶液冻结温度关系的试验研究[J]. 冰川冻土, 2019(3):14.

[12]张世银, 姚兆明. 人工冻土冻结温度影响因素灵敏度分析[J]. 低温建筑技术, 2007(4):2.

[13]Zhou J, Wei C, Lai Y, et al. Application of the generalized clapeyron equation to freezing point depression and unfrozen water content[J]. Water Resources Research, 2018, 54(11): 9412-9431.

[14]孟祥传, 周家作, 韦昌富,等. 盐分对土的冻结温度及未冻水含量的影响研究[J]. 岩土力学, 2020, 41(3):9.