冻土中水的相成分分析

土冻结后形成了一种新结构——冻土结构,它与未冻土的性质大不相同。冻土与未冻土的主要区别,除了冻土处于负温条件外,冻土中具有冰的胶结。冰与冻土骨架的胶结,受到许多因素的影响,首先是负温值,因为温度的变化,冻土中含冰量和未冻水量之间的比例也发生着变化,也即冻土中水的相成分的变化。

冻土中的水具有气态、液态和固态三种相态。

(1)气态水:冻土虽然处于负温,但仍然有气态水存在,在南极,甚至在-40℃时,极地科学工作者仍发现有蒸汽。负温时蒸汽与正温时的一样,从高压处向低压处移动。

(2)液态水:在负温条件下土中没有相变成冰的水。1940年以前,人们普遍认为虽然土中水有过冷现象,但形成冰晶后,冻土中的水全部冻结成冰。直到1942年前苏联А·Е·Φедеосов研究多年冻土时验证,在-70℃的温度下,冻土中还含有一定数量的未冻水。

当土体温度在0℃时,自由水 (实际上距土颗粒表面0.005mm 的水基本上处于自由水状态)开始冻结;当温度在-1.0～-0.1℃时,部分弱束缚水冻结;当温度在-30～-20℃时,几乎全部扩散膜水冻结。但是吸附层水的冻结十分困难,在-78℃时吸附层外层水分子才开始冻结,但即使在-186℃时,也不会将全部的吸附层水变成冰。(www.xing528.com)

据前苏联З·Н·Нерсесова的研究表明,每种土的未冻水量与土的总含水量无关,主要是受土的负温值控制。

值得指出的是,在负温条件下土中的未冻水含量是随温度而变化的,负温值下降时,未冻水量减少,当负温值减少时,就会有一部分冰重新转变为水,增大了未冻水含量。

(3)固态水:冻土中的冰。这种冰在土中大孔隙中形成,粗粒土中往往形成冰包裹体,在细粒中常形成冰透镜体的冰夹层。

1945年前苏联学者Н·А·ЦЫТОВИЧ 提出了冻土中未冻水和冰的动平衡理论,指出在负温下,冻土中总有一部分未冻水,每一种土在某一负温和固定压力下,其未冻水含量是固定的。如果负温值下降或土中压力减少时,就会有一部分未冻水变成冰。反之,当负温值减少或压力增大时,就会有一部分冰变成未冻水。冻土中含水量主要是由未冻水含量和含冰量两部分组成,且二者之间始终处于动平衡状态。