非飽和凍土不同條件下孔隙度變化規(guī)律分析

趙 悅，李治軍，謝世堯，胡仁強(qiáng)，李 鐸

(1.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院, 哈爾濱 150080; 2.黑龍江大學(xué)寒區(qū)地下水研究所, 哈爾濱 150080)

凍土在我國的分布范圍十分廣泛，尤其是東北地區(qū)受季風(fēng)性氣候的影響，屬于我國的典型性季節(jié)性凍土區(qū)。凍土層是季節(jié)性凍土區(qū)特有的土層，在區(qū)域的各項(xiàng)活動(dòng)中發(fā)揮著重要的作用[1]，且具有抑制蒸發(fā)、透水性較弱和調(diào)節(jié)土壤水分變化狀態(tài)等與非凍土層不同的規(guī)律和特征[2]。而滲透系數(shù)是可以反映凍土各項(xiàng)性能的一個(gè)重要的水文地質(zhì)參數(shù)[3]，凍土的滲透系數(shù)也取決于土的物理性質(zhì)(如顆粒組成、顆粒形狀、孔隙度等)[4,5]。故本文選取影響滲透系數(shù)的重要參數(shù)孔隙度[6]，對其進(jìn)行研究，在通過控制不同溫度和配置不同含水率兩種條件下測定非飽和凍土的孔隙度，量化溫度及含水率對非飽和凍土孔隙特征的影響規(guī)律，為寒區(qū)土壤的各方面研究提供基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

所需儀器：GZS-1高頻振篩機(jī)，量筒，天平，低溫恒溫箱，烘干箱等。準(zhǔn)備過程如下。

(1)選取試驗(yàn)土樣。本文選取哈爾濱市黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院校園內(nèi)的土壤，利用振篩機(jī)篩分出顆粒級配小于2 mm的土壤作為試驗(yàn)土樣。

(2)烘干。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，應(yīng)使土壤中沒有多余的水分殘留，因此對選取的試驗(yàn)土樣進(jìn)行烘干。將篩分后的土樣置于烘干機(jī)中烘干，烘干機(jī)溫度設(shè)定為100 ℃，烘干12 h后稱重，稱重后繼續(xù)放回烘干，2 h后取出再次稱重，重復(fù)此步驟直至土樣重量不在發(fā)生改變[7]。

(3)配水。將經(jīng)過烘干后的土樣配置成5%、10%、15%、20%的4種不同含水率的試驗(yàn)土樣，并將這4種含水率的土樣分別分為3份裝入試驗(yàn)小盒中。含水率配置完成后的土樣經(jīng)過密封后，需靜置24 h左右，使其內(nèi)部的水分充分運(yùn)移均勻[8]。

(4)凍結(jié)。將含水率配置完成的土樣放入低溫恒溫箱冷凍12 h以上。

2 孔隙度測定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方法

本文孔隙度測定主要采用飽液試驗(yàn)法。飽液試驗(yàn)法是指在試驗(yàn)土樣中加入試驗(yàn)液體，使其自上而下的充滿土樣，直到該土樣表面濕潤并且略微出現(xiàn)液體溢出時(shí)停止，記錄此時(shí)液體進(jìn)入土樣中的體積，即為試驗(yàn)土樣的孔隙體積[9]。

根據(jù)試驗(yàn)可知，45%乙二醇溶液的冰點(diǎn)在-27 ℃，且融冰能力差，因此在此次試驗(yàn)過程中用45%乙二醇溶液代替水進(jìn)行孔隙度試驗(yàn)。本次試驗(yàn)過程是將不同含水率的土樣和45%乙二醇溶液放入低溫恒溫箱中，將低溫恒溫箱設(shè)置成不同溫度，將土樣和液體存放4 h以上，使土樣和液體的溫度均保持在低溫恒溫箱設(shè)置的溫度，然后對不同的土樣進(jìn)行飽液試驗(yàn)法，測定不同含水率下孔隙度的數(shù)值。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2.1 計(jì)算公式

孔隙度計(jì)算公式如下所示：

(1)

式中：vn為土樣非閉合孔隙體積，m3；v為土樣烘干后包括孔隙在內(nèi)的體積，m3；n為土樣孔隙度。

2.2.2 不同溫度對孔隙度的影響數(shù)據(jù)

配置10%含水率的土樣放入低溫恒溫槽中，將溫度分別設(shè)置為-5、-10、-15、-20 ℃，按照擬定的方案進(jìn)行相同含水率下不同溫度對孔隙度的測定，按公式(1)計(jì)算土壤孔隙度，3組平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表1所示。

2.2.3 不同含水率對孔隙度的影響數(shù)據(jù)

經(jīng)過上述試驗(yàn)，故將低溫恒溫箱溫度控制為-10 ℃，按照擬定的方案進(jìn)行不同含水率下孔隙度的測定，按公式(1)計(jì)算土壤孔隙度，3組平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理如表2所示。

3 不同條件下孔隙度變化規(guī)律分析

3.1 不同溫度下孔隙度的變化規(guī)律分析

以粒徑小于2 mm的沙質(zhì)土為試驗(yàn)對象，配置10%含水率的土樣，在-5、-10、-15、-20 ℃的溫度下測定孔隙度，則0 ℃以下溫度與非飽和孔隙度的3組平行試驗(yàn)關(guān)系如圖1所示。

由圖1可知，相同含水率下不同溫度的非飽和凍土的非閉合孔隙度變化不大。

表1 10%含水率不同溫度下非飽和凍土孔隙度數(shù)據(jù)表

表2 -10 ℃時(shí)不同含水率非飽和凍土孔隙度數(shù)據(jù)整理表

3.2 不同含水率下孔隙度變化規(guī)律分析

以粒徑小于2 mm的沙質(zhì)土為試驗(yàn)對象，在-10 ℃的溫度下，配置5%、10%、15%、20%含水率的土樣測定孔隙度，則含水率與非飽和孔隙度的3組平行試驗(yàn)關(guān)系如圖2所示。

圖1 10%含水率不同溫度下孔隙度的變化規(guī)律

由圖2可知，在溫度不變的情況下，隨著含水率的增大，非飽和凍土的孔隙度逐漸減小。

4 結(jié) 語

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果初步探討不同溫度相同含水率，以及相同溫度不同含水率下非飽和凍土的孔隙度之間的關(guān)系特征。

(1)由試驗(yàn)結(jié)果可知，由于相同的含水率中所含水分相同，在經(jīng)過冷凍后，凍結(jié)成冰的體積基本不變，因此在測定非閉合孔隙度不會(huì)有太大的變化，非閉合孔隙度保持基本相同。

(2)由試驗(yàn)結(jié)果可知，在相同溫度下，由于土壤的含水率不同，在凍結(jié)后，土壤中的水轉(zhuǎn)化成冰占據(jù)體積，含水率越大，冰所占的體積越大，土體內(nèi)的孔隙減少，因此非閉合孔隙度也逐漸減小。

(3)通過本次試驗(yàn)可知本文測定非飽和凍土孔隙度的方法是可行的，但是由于獲取土樣的地點(diǎn)較為單一，因此本文所測的結(jié)果具有一定的局限性。另外，本實(shí)驗(yàn)存在一定的誤差，可以通過改進(jìn)試驗(yàn)儀器等方法來減小誤差。

圖2 -10 ℃不同含水率下孔隙度的變化規(guī)律