冻融循环作用下盐渍冻土中土冰复合体的结构演化及其动力学特性

《International Journal of Mining Science and Technology》：Structure evolution of the soil-ice composite and its dynamic mechanical properties in saline frozen soil subjected to freeze-thaw cycles

　　

冻融循环正在加剧全球变暖背景下活动层内冻土工程性质的劣化，其机制在于改变冻土内部土冰复合体的结构。本研究对中国东北地区采集的盐渍冻土样品进行了0至120次冻融循环处理，利用核磁共振（NMR）技术提出了两个T2截止值来区分盐渍土中的结合水、毛细水和自由水，并阐述了不同类型孔隙冰的力学贡献。提出的土冰协同演化理论认为，冻融循环通过微观结构重组重塑了土冰复合体：颗粒的聚集与破碎驱动了孔隙水类型的转变；孔隙的相互转化控制了冰饱和度的动态变化；而颗粒间的接触模式则决定了土冰互锁状态。解耦分析揭示了土冰复合体中冰骨架的主导作用：经过120次冻融循环后，冰骨架贡献了动弹性模量（Ed）的98.5%和最大动剪切模量（Gdmax）的75.1%，这凸显了多年冻土退化可能带来的工程风险。本研究有望为提高寒区工程对未来气候变化的韧性和适应性提供科学依据。

一、研究背景与科学问题

在全球变暖加速的背景下，多年冻土正发生显著退化，对中高纬度国家的工程基础设施构成重大挑战。随着多年冻土边界向极地退缩，大面积多年冻土区域正转变为季节性冻融区。在此过程中，冻融循环作为寒冷地区最普遍的风化形式，成为冻土退化的关键催化剂，显著加速了其工程性质的劣化。值得注意的是，冻土是一种由土壤颗粒、孔隙冰、未冻水和气体组成的四相土冰复合体。与常规土壤完全依赖土体结构提供强度不同，冻土的强度来源于冰的胶结作用，本质上体现了土冰复合体的结构抗力。此外，细颗粒含量和盐度等内在土壤性质会降低孔隙水的冻结温度，从而减少土冰复合体中孔隙冰的比例。因此，盐渍冻土通常表现出较低的冻结强度，且对气候变化更为敏感，可能在寒冷地区工程中引发更早、更严重的稳定性危机。然而，现有研究多集中于宏观和微观尺度下冻融循环对土壤固体组分（如颗粒、团聚体和孔隙）的影响，忽略了液相孔隙水的作用，尤其是在冻结状态下孔隙冰对力学行为的显著影响。关于冻融循环作用下土冰复合体的动态结构演化与力学性能，特别是不同类型孔隙冰的冻结及其力学效应、冰骨架与土体结构的耦合机制以及冻融风化对冻土土冰复合体的损伤机理等关键科学问题的研究十分匮乏。因此，阐明冻融循环对冻土中土冰复合体结构演化和力学行为的影响，对于评估气候变化下盐渍冻土区基于多年冻土的基础设施风险，并为非盐渍区的减灾策略提供参考至关重要。

二、研究方法与技术路线

研究人员从中国吉林省前安县（松嫩平原东南部典型盐渍土区）采集了深度为40厘米的土壤样品，该地区属于中高纬度季节性冻土区，年冻结期长达八个月。为探究0至120次冻融循环的影响，研究人员采用了多种关键技术方法：利用核磁共振（NMR）系统测量不同负温下的未冻水含量及其分布，并通过提出两个T₂截止值来定量区分结合水、毛细水和自由水；采用激光粒度分析仪（LPSA）测定经冻融处理后样品的粒径分布；使用压汞法（MIP）分析冻融循环对孔隙度和孔径分布的影响；借助扫描电子显微镜（SEM）观察冻融循环对样品微观结构的影响；最后，利用温控动三轴系统（DTS）在0℃和-9℃条件下测试土冰复合体的动力学特性，并应用Hardin-Drnevich非线性土模型处理数据以获取动弹性模量（E_d）和动剪切模量（G_d）。

三、研究结果

4.1 通过NMR对不同孔隙冰的量化

研究人员利用顺磁回归线（PRL）方法校准NMR信号，计算了特定负温下的未冻水含量。通过分析T₂分布曲线，发现结合水、毛细水和自由水具有不同的弛豫时间特征，据此确定了两个T₂截止值（T_2c1和T_2c2）。研究表明，随着冻融循环次数增加，不同孔隙水类型之间的转化受到微结构重组的显著影响，进而改变了冻结过程中各类孔隙冰的形成比例。

4.2 土体结构在冻融循环下的演变

通过LPSA、MIP和SEM的综合分析，研究人员观察到冻融循环导致土壤颗粒发生明显的破碎与聚集现象。具体表现为：随着冻融循环次数增加，平均粒径呈现波动性变化，但总体上细小颗粒（粘土级）含量增加。MIP结果显示，总孔隙率在初始阶段迅速增加，随后趋于稳定，而孔径分布则向更小的孔隙方向移动。SEM图像直观地展示了冻融循环后土体结构的变化，包括颗粒形态、接触关系和胶结程度的改变。这些结果表明，冻融循环通过反复的膨胀和收缩应力，破坏了原有的土壤骨架，形成了新的、更为复杂的微观结构。

4.3 土冰复合体的动态力学性能

DTS测试结果表明，在-9℃的冻结状态下，冻融循环显著影响了土冰复合体的动态力学参数。研究发现，动弹性模量（E_d）和最大动剪切模量（G_dmax）随冻融循环次数的增加呈现出先快速下降后趋于平缓的趋势。这种变化与土体结构的损伤和孔隙冰的重新分布密切相关。通过解耦分析，研究人员量化了土冰复合体中各组成部分的贡献，发现冰骨架在抵抗动荷载中起着主导作用。经过120次冻融循环后，冰骨架贡献了E_d的98.5%和G_dmax的75.1%，这充分说明了冰骨架对于维持冻土力学强度的极端重要性。

4.4 土冰协同演化理论

基于上述实验结果，研究人员提出了土冰协同演化理论来解释冻融循环对冻土的作用机制。该理论的核心观点是：冻融循环通过微观结构的重组来重塑土冰复合体。具体而言，颗粒的聚集与破碎驱动了孔隙水类型的转变（例如，部分毛细水转化为结合水）；孔隙的相互转化（如大孔破裂成小孔）控制了冰饱和度的动态变化；而颗粒间接触模式的改变则决定了土冰的互锁状态。这一理论框架系统地解释了冻融循环如何同时作用于土体结构和冰骨架，从而导致冻土工程性质的复杂演变。

四、讨论与结论

在讨论部分，研究人员深入分析了冻融弱化与冻结强化之间的竞争机制。冻融循环导致的土体结构损伤（如颗粒破碎、孔隙增大）会削弱土体强度，即“冻融弱化”效应；而在低温环境下，孔隙水冻结形成的冰骨架能够增强颗粒间的连接，提高整体刚度，即“冻结强化”效应。本研究表明，这两个过程的相对强弱决定了冻土最终的力学响应。研究人员建立了不同类型孔隙冰的饱和度与土冰复合体力学参数之间的指数关系，为预测冻土在冻融循环作用下的性能退化提供了定量工具。

研究结论指出，冻融循环通过诱导土体微观结构重组，显著改变了盐渍冻土中土冰复合体的组成和空间分布，进而深刻影响其动态力学性能。冰骨架在承担外部荷载中发挥了决定性作用，其贡献远超土体骨架本身。随着冻融循环的进行，冰骨架的完整性受到破坏，这是导致冻土力学性能劣化的根本原因。该研究首次系统地阐明了冻融循环作用下土冰复合体的结构演化规律及其与宏观力学性能的内在联系，为理解多年冻土退化过程中的工程灾害机理提供了新的理论视角，并为提升寒区工程对未来气候变化的适应能力提供了重要的科学依据。该论文发表于《International Journal of Mining Science and Technology》。