粉质粘土冻融过程中水热迁移特性的实验研究

宋文宇，胡怡然，王 维，李炳熙

(1.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001;2.哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001)

随着我国经济的快速增长，建筑供暖空调能耗量巨大。国家发展改革委等六部门在《关于加快浅层地热能开发利用促进北方采暖地区燃煤减量替代的通知》中要求：浅层地热能在替代民用散煤供热方面发挥积极作用，区域供热用能结构得到优化[1]。在采用土壤源热泵供热时，地埋管周围的土壤会出现冻结现象[2]。冻土物理性质不稳定，受温度变化影响大，冻融状态下强度[3]和热物性参数差异明显[4]。如果对土壤水热迁移过程管理不善，会导致热泵系统效能降低[5]，甚至出现土壤盐渍化[6]、冻胀或融沉等问题，对自然环境、农业生产和基础设施产生不利影响[7]。采用实验方法对土壤冻融水热迁移特性的研究可分为原位实验和实验室实验。原位实验对土壤扰动小，实验周期长，但受外界气候变化影响较大，结果多为经验公式或半经验公式，难以详尽的归纳内在机理；实验室实验在取样过程中对土壤有扰动，而且实验台尺寸较小，但可以精确调节土壤的粒度级配，可精确控制边界条件。FDR(Frequency Domain Reflectometry)是近年来逐渐兴起的一种测量方法，该方法技术实现简单，不需波形显示及解释，单个传感器价格低廉，采用该方法的足尺冻融实验可以在较长的实验周期内对土壤温度及含水率进行高频采样，为理解冻土冻融过程水热迁移规律提供详尽的数据支持。

1 实验平台及实验方法

1.1 实验平台

实验平台由土壤装样桶、上部压力加载系统、温度控制系统、水位控制系统、数据采集系统组成。实验平台的主体结构为一直径100 cm，高250 cm的不锈钢桶，其上端开放，下端封闭，桶底部固定在底座上。底座两侧设置轨道，轨道上设置一副龙门架，龙门架顶部设置液压千斤顶，用于压实土壤及调节顶部载荷。桶壁下部设置检修口，供人员进出及装卸土壤试样用。装样桶侧壁预留若干穿线孔，用于布置传感器线路，底部设置排水阀门及接口，详细布局如图1所示。

图1 实验平台

实验平台采用Decagon Devices公司生产的ECH2O系列5TE及5TM型传感器，用于测量土壤温度及含水率。传感器自上而下共布置9层，每层2个。每层传感器对置于装样桶直径方向上，距离桶侧壁25 cm以上，水平及垂直方向上相邻的传感器交错布置，直线间距40 cm以上，避免传感器相互干扰或金属筒壁干扰测量信号。

1.2 土壤基本参数

实验对象选用粉质粘土，取样地点为哈尔滨，取样时间为夏季，取样深度为0.5～2.5 m。首先对取样区域进行清表，采用机械设备分层取土带回，然后按照取样顺序，将土样均匀的填入装样桶内。每填一层，敷设一层传感器，每一层土样均以100 kN的压力反复压实。

土壤装填并压实后，采用环刀取样并以105℃烘干至恒重，然后采用分样筛测试土壤粒径级配分布。测得土壤试样的干密度为2.05 g/cm3，采用浸蜡法测得土壤试样的孔隙率为0.47。

1.3 实验步骤

本实验中，土样在定温边界条件下进行单向多周期的冻融循环，外界无水源补充。传感器每20 min对土壤温度及含水率进行测量。详细实验步骤如下：

(1)土壤取样及装填按1.2节操作，装填完毕后在土壤顶部敷设盘管并覆土，然后覆盖保温材料。在装样桶外壁覆盖保温棉，用保温发泡胶密封侧壁的预留孔。

(2)向水位控制系统内注水，打开储水桶和装样桶之间的阀门，每5 min读取土壤含水率，检测传感器的工作状态，土壤含水率达到实验要求时关闭阀门，检查装样桶的密封状态。

(3)进行土壤冻结实验。按实验要求设定制冷系统停机温度，为保证温度均匀性，并减少设备启停次数，开机温度宜高于停机温度1～2℃。当土壤冻结深度达到要求时，停止冻结实验，12 h后开始融化实验。

(4)土壤融化实验。按实验要求设定电加热器停机温度，为保证温度均匀性，开机温度宜低于停机温度1℃。当土壤融化深度达到实验要求时，停止融化实验12 h后开始冻结实验。

冻融实验过程中，上边界温度通过敷设在土壤试样表面的盘管控制，下边界温度为室温，上、下边界温度演化曲线如图2所示。

图2 土壤试样上下边界温度

2 实验结果及分析

土壤试样在实验中经历了2次冻融循环，其中第1次冻融循环历时130 d，第2次冻融循环历时60 d，共历时190 d。在第1次冻融循环中，冻结期102 d，融化期28 d；在第2次冻融循环中，冻结期40 d，融化期20 d，如图2所示。实验过程中不同时刻土壤温度分布曲线以及冻结深度如图3所示；相应时刻土壤含水率分布曲线如图4所示。土壤在冻结过程中，热量由深处向表面传递，冻结深度逐渐增加，土壤内部的水分出现了由未冻结区向冻结锋面迁移并发生聚集的现象；在融化过程中，热量由表面向深处传递，已冻结土壤由表面向深处逐步融化，水分受重力驱动，出现了重新分布的现象。

图3 冻融实验各时刻土壤试样温度分布

图4 冻融实验各时刻土壤含水率分布

实验期间土壤不同深度的温度及含水率变化规律如图5～图7所示。以0℃等温面作为冻结锋面，在40 d、80 d、150 d时，土壤冻结深度分别为405 mm、710 mm、570 mm，冻结区最大含水率出现的位置分别为390 mm、625 mm、605 mm，说明水分迁移主要发生在冻结锋面附近。40 d、80 d已冻结区的含水率分布基本相同，说明已冻结区内部土壤基本不发生水分迁移。通过观察深度200 mm、415 mm、630 mm处土壤温度变化曲线，发现随土壤深度增加，冻结速率逐渐降低。由此可知，土壤冻结过程中水分迁移量的强弱，与冻结速率呈反比关系。

图5 200 mm深度土壤温度及含水率变化曲线

图6 415 mm深度土壤温度及含水率变化曲线

图7 630 mm深度土壤温度及含水率变化曲线

在土壤冻融状态转化的过程中，出现了在短时间内含水率突变的现象，如图5 ～图7所示。在冻结过程中，土壤含水率。含水率变化强度随冻结速率的降低逐渐减弱，冻结时含水率突变的强度高于融化时的变化强度。在胡怡然等[8-9]的研究中，发现了土壤在冻结过程中，体积先收缩后膨胀的现象。在土壤降温阶段，未发生冻结时，土壤孔隙内的水蒸气发生凝结，压力降低，造成土壤体积收缩，此阶段土壤含水率表现为升高趋势；随着土壤温度继续降低，孔隙水冻结，体积膨胀，造成土壤体积膨胀，此阶段土壤含水率表现为降低趋势。在冻土融化阶段，由于孔隙冰融化，体积收缩，而土壤体积受未融化孔隙冰的支撑，体积不变，因此体现为土壤含水率降低；随着融化过程的进行，孔隙冰完全融化，孔隙内产生负压，而且受重力的作用，土壤体积开始收缩，体现为土壤含水率升高；同时，孔隙水在重力作用下开始向下方迁移，体现为土壤含水率逐渐降低。

根据土壤在冻融实验前后的含水率变化差值，可将土壤沿冻结方向划分为三个区域，如图8所示。在冻结区，冻结速率随深度的增加逐渐递减，冻融状态下土壤含水率的差值随深度的增加逐渐递增，水分迁移主要发生在400～700 mm区间内，该部分为水分聚集区。在未冻结区，700～1 200 mm处的土壤含水率在冻融前后变化不明显，在该区域内的水分以输运为主，向上层冻结区土壤输送水分，同时从下层土壤吸收水分进行补充，该部分为输运区。1 200 mm以下处的土壤含水率在冻融前后变化为负值，该区域在上层土壤冻结时，仅向上层土壤提供水分，该部分为水源区。

图8 土壤冻融前后含水率差分布

3 结论

本文使用足尺土壤冻融实验平台，研究了哈尔滨粉质粘土冻融过程中的水分迁移特性，得到了以下结论：

(1)土壤在冻结过程中，水分迁移现象发生在冻结锋面处，已冻结区域的含水率基本不发生变化，冻结速率随土壤深度增加逐渐降低，水分迁移量与冻结速率成反比关系。

(2)土壤在冻结过程中，沿冻结方向分为水分聚集区、输运区和水源区，聚集区在冻融实验前后含水率变化最大，输运区在冻融实验前后含水率变化最小。

(3)土壤在冻融状态转换的过程中，会出现含水率突变的现象，冻结时的变化强度高于融化时的强度，变化强度与冻融速率成正比关系。