赖远明--黄文熙讲座-冻土水热力特性分析新方法-2015-4-10

2015年黄文熙讲座学术报告赖远明中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室2015月4日11日冻土水热力特性分析新方法汇报提纲一.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-力相互作用机理格陵兰加拿大俄罗斯Svalbard冰岛阿拉斯加挪威蒙古太平洋北冰洋大西洋一、研究背景多年冻土季节冻土短时冻土北半球多年冻土占陆地面积的24%。多年冻土和季节冻土大约占陆地面积的57%。中国多年冻土占国土面积的22.4%，为世界第三冻土大国。中国中国大理玉树满洲里大庆新藏公路青藏铁路西线南水北调俄-中输油管线青康公路（高速）青藏高速公路黑河大连加格达奇黑大公路、哈大客专大兴安岭林区公路一、研究背景冻土区国家重大工程一、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、研究背景高原盐渍土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路基稳定性问题温度变化—（冰强度、胶结力）—冻土强度变化—（冰-水相变）—冻、融土力学特性激变0100020003000400050006000-10-8-6-4-202温度（℃）强度（kPa）水分迁移—分凝冰—融化—工程病害高含冰量—上限及温度变化—工程病害量变：升温—承载力或强度降低质变：融化—承载力或强度丧失一、研究背景纵向裂缝道路翻浆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。沉降变形一、研究背景未冻融（放大100）9周期（放大100）冻结期融化期反复冻融的盐渍化路基填料孔隙度增大路基盐胀及沉陷路基承载力及结构破坏一、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。冻胀融化水分聚集及消散水分迁移结晶土体结构盐胀盐分迁移一、研究背景汇报提纲一.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。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。2.1硫酸盐渍土分布二、硫酸盐渍土冻结温度离子分布在特定含水量下（不考虑含水量对冻结温度的影响），土体冻结温度由两个部分组成。TTTff液土溶液冻结温度：取决于溶液浓度和离子类型。二、硫酸盐渍土冻结温度2.2基本假定土体影响：取决于孔隙大小和固-液表面自由能。),(),,(pΤapΤiwwiiwwdddΤΤdaadΤΤpiwpΤwwapww)()()(,,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。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：则有：dΤSdaaRTdΤSim,二、硫酸盐渍土冻结温度2.3硫酸盐溶液冻结温度溶液中水的化学势为：代入微分方程有：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：fwwifffTaLRTTTln1iiwwmMa1000ln二、硫酸盐渍土冻结温度2.3硫酸盐溶液冻结温度溶液的冻结温度取决于水分活度，采用Pitzer离子模型进行计算。Mw为水的摩尔质量，m为溶质的摩尔质量分数，i为离子类型，Φ为渗透系数。2424242442422424221212123SOClNaSOClNaSOClSOClSONaSONaNaClClNaSOClNammmmmZCBmmZCBmmbIIAmmmSONaNaCl,,,//)()(cNa2SO4=0.1958mol/lcNa2SO4=0.3127mol/lcNa2SO4=0.3915mol/lNa2SO4和NaCl二元溶液冻结温度的计算值与实验值十分接近，说明以上计算方法是可行的。二、硫酸盐渍土冻结温度2.3硫酸盐溶液冻结温度γsl为冰液表面自由能，r为孔隙半径，r0为初始结晶半径。冰晶生长pislplrr0冰晶溶液冰晶生长过程中受到冰和水压力差的作用，△p=pi-pl，结晶压力与晶体尺寸及其表面张力有关：dVdApsl二、硫酸盐渍土冻结温度2.4土体对冻结温度的影响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。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：dVdAVTTLssolutionfiwslTLTVrwisolutionfssl20二、硫酸盐渍土冻结温度2.4土体对冻结温度的影响初始结晶半径:第一项由溶液性质决定:021rLTVTalnLRTTTwisolutionfsfwwiffslsoilfwa1soilfT02rLTVwisolutionfssl第二项由结晶半径及冰液表面自由能决定:0rsoilfTsolutionf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：当溶液为纯水时，第一项等于0当冰液接触面为平面，土体冻结温度等于溶液冻结温度含盐土的冻结温度比相应溶液低，两者差值随浓度增大而增大。盐晶体析出前冻结温度随浓度呈现很好的线性关系。二、硫酸盐渍土冻结温度2.5硫酸盐渍土冻结温度盐晶体析出温度回升点为十水硫酸钠晶体析出的初始温度，可得到不同硫酸钠含盐量的晶体初始析出温度。高含盐量硫酸钠盐渍土降温图低含盐量硫酸钠盐渍土降温图二、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：satccS其中，c为溶液浓度，csat为溶液饱和浓度。Tc0773131650sat..饱和浓度与温度之间的试验关系为：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。Smax与T的关系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。二、硫酸盐渍土冻结温度2.6盐晶体析出对冻结温度影响(Wan&Lai*,PermafrostandPeriglac.Process,2015,IF=3.0).（1）盐晶体析出引起的含水量变化二、硫酸盐渍土冻结温度2.7未相变含水量与温度关系盐渍土信号强度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。)(.).()(''001422676212676118000crrc其中，θ0为初始含水量，c0为溶液初始浓度，r’为温度T’时溶液的溶解度。对温度进行修正之后，盐晶体析出引起的未相变含水量变化为：η表示温度影响系数：)(.).()(''001422676212676118000crrcTec015000485123430.)..(硫酸盐渍土未相变含水量的计算值与试验值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%。二、硫酸盐渍土冻结温度2.7未相变含水量与温度关系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：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。kAeTf176310cAln.7787064500.ln.c02650.k（2）水结冰引起的含水量变化二、硫酸盐渍土冻结温度2.7未相变含水量与温度关系其中：2.8硫酸盐渍土盐胀力及盐胀对土体影响过饱和溶液中生长1mol晶体时，其体系的吉布斯自由能降低为：二、硫酸盐渍土冻结温度0aaRTGln对于纯组分体有：mTVpG)(则特定温度下可变为：0aaVRTpmln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OHMMOHXMXMXMzXzM2020盐分的活度可表示为：00,))((wXMamaXM其中γ±表示离子的平均活度系数：/1）（XMNM二、硫酸盐渍土冻结温度通过推导可得到盐结晶压力为：)ln(ln,000wwmccVRTp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。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硫酸钠含盐量3.8%硫酸钠含盐量2.6%土样降温曲线汇报提纲一.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3.1相变驱动力熔体-晶体体系共存，两相自由能之差为：一般情况下相变温度区间较小，因而近似认为：因此，相变时的自由能变化量为：因此,冰-水相变的驱动力为过冷度ΔT()()TSΔTTHΔGΔ-=()()*=THΔTHΔ()()*=TSΔTSΔ()()*cl*clcl**TTΔLTTLLTSΔTTHΔGΔ===--三、晶体生长的微观过程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，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：Vm为物质的摩尔体积；γsf为晶相与液相界面比表面自由能。4.02.00.0-2.0-4.0-6.010-1810-92.52.01.51.00.5自由能(J)半径(m)VolumeGvSerfaceGsTotalGcrcritGcrit0.0成核功与晶体尺寸的关系临界晶核半径为：形成临界球形晶核所需的功为：sf*mclcγrπTTΔVLrπGΔ234+34=-TΔLTVγrcl*msfcrit2=22223316=TΔLTπGΔLVγclcl*msfcr三、晶体生长的微观过程3.2成核临界半径及形成功单位时间单位体积内超临界晶胞形成的概率为：分子碰撞频率与活化能有关：超临界分子的数目为：因此，均匀成核的结晶率为：crsnnυdtdNI==RTGexp00-kTGexpncrcrn0kTGexpRTGexpnndtdNIcrs000三、晶体生长的微观过程3.3结晶速率一项描述成核作用（含形成功∆𝑮𝒄𝒓）,另一项代表分子向超临界晶核扩散（含活化能∆𝑮𝟎的项）。𝒏𝒔是晶核表面的分子数量2002102202302402502602702800.00.20.40.60.81.01.21.4结晶速率(s-1)温度(K)成核作用晶体生长结晶作用过冷T*快速结晶缓慢结晶结晶速率与温度关系土体冻结典型温度时间曲线结晶速率方程揭示了两个相互竞争的因素：成核作用和晶体生长。恒定跳跃过冷递降自由水冻结束缚水冻结Te大部分束缚水冻结，土体冷却TscTf时间0℃温度TTsc相对于热力学平衡时的亚稳态过度温度Tf自由水的起始冻结温度T相对于0℃的冰点温度Te束缚水几乎全部冻结时的温度临界晶核成核吸热生长放热吸放热平衡