液态水的迁移过程

土冻结过程中水分迁移是液态水迁移的理论,得到了广泛的认同,但对液态水迁移的机制,则有各种学说,现简述如下。

3.2.2.1　压力差理论

这种学说最初是重力承压理论,认为在粗颗粒土中,水分在重力和承压下移动。水分迁移的方向与温度梯度方向一致,水分由冻结区向压力小的地方迁移。有些人用此理论解释冰丘、冰推的形成。以后有人指出,这种理论只适用于饱和砂土,这种土表面冻结时,由于水变成冰,体积增大,产生压力,迫使水自冻结锋面向压力小的未冻层方向移动,此时冻结层的含水量反而减少。提出这种理论的有前苏联学者К·О·Никифоров、М·И·Сумкин等人。

3.2.2.2　薄膜水迁移理论

薄膜水迁移理论是由前苏联学者А·Ф·Лебедев以及S·Taber、G·Beskow 等人提出的。认为土冻结过程中水分迁移是由薄膜水移动所致。这种观点得到了冻土界多数人的承认,但对薄膜水迁移的动力的看法却是百家争鸣。

1.蒸汽压假说

А·Ф·列别捷夫在1919年实验证明,土中结合水在分子力作用下,由薄膜厚的地方向薄的地方迁移。薄膜的变薄,他解释为水膜间的蒸汽压不同,认为蒸汽压与薄膜厚度成反比,所以造成了移动的动力。G·贝斯科沃也持这种见解。

2.结晶力假说

G·I·布尤克斯、S·泰伯尔解释薄膜水的迁移动力是结晶力作用的结果,认为冰的结晶体表面往往蒙上一些薄膜水,在冻锋面当薄膜水结冰时,水膜变薄,由于水膜的抗拉强度很大,不会破裂,厚度较大的薄膜水就向冻结锋面迁移。这种假说忽视了土颗粒和水的表面作用。在融土中不存在冰晶力的条件下,液态水依然能移向蒸发表面。

3.渗透压力假说

前苏联学者М·И·Гольдштейн提出土颗粒表面的水化膜内一部分水冻结后,水的水化膜浓度增加,相邻未冻土层中的浓度较小,从而引起渗透压力的作用,于是水就从未冻土中向冻锋面迁移。这种渗透力的作用是存在的,但它在整个液体的水分迁移中不是主要动力,只有在孔隙水中盐溶液浓度相当高时才能发生。(www.xing528.com)

4.抽吸力假说

R·Ruckli、Н·А·Пузаков等人认为,水从土中某一点移动到另一点,必然受到一种力的作用,两点间存在力差。作用在土中水的自然力,除受重力外,还有结晶力、毛细力、渗透力、吸附力等。这些力可能同时存在,根据条件不同,也可以有一种或几种力起主要作用。

5.化学潜能说

И·А·Тютюнов等人把土中水分成界相水、副界相水和容积水,认为界相水和副界相水与固体表面之间存在着化学潜能(化学势),土中水分迁移的动力就是这种化学潜能梯度。

6.传播运动学说

1952年A·A·安拉兰用试验证明了在电动势作用下水分迁移现象,提出了水分迁移的传播运动学说。他认为固体表面离子对水影响,破坏了水的结构,使其定向,影响了传播运动,这部分水分因此能长期处在液相状态而不结冰。在温度和电动势梯度作用下,温度较高端和正极的水分传播运动快,迫使其向另一端迁移。

7.其他学说

除了上述关于液态水迁移体机制的各种学说和理论外,还有A·A·安纳扬1959年提出的“分子动力学理论”,Х·Р·哈基莫夫1950年提出的 “吸附压力理论”,С·И·格列耶夫1956年提出的“孔隙真空理论”等10余种学说。

3.2.2.3　毛细管迁移

早在1885年俄罗斯工程师В·И·斯图凯别尔格就提出了水分迁移理论 “冻结孔隙的毛细管理论”。他第一次提出土的冻胀是由于水沿着裂隙和冻结孔隙形成的毛细管上升,形成水分向冻结锋面迁移,从而引起土的冻胀。然而,“冻结孔隙”的形成和冻结边界毛细管弯曲面的存在未能得到试验证实,于是这种理论未能得到进一步发展。