冻融土壤的物理性质

冻融土壤是一种多相体系，各相所占的比例，往往决定了土壤的各项物理特性。为了便于研究，通常将土壤中的三相物质组成绘成土壤三相组成草图（图1-1）。图1-1中符号V和m分别表示体积（cm³）和质量（g），下角标分别表示相应的各相。

图1-1 土壤的三相组成草图

对该多相体系，通常采用质量比例和容积比例的方法来研究其基本的物理特性，即用以下几个基本物理特性指标评价土壤的物理性质和状态。

（一）土壤的相对密度和容重

1.土壤的相对密度（d）

土壤的相对密度即土粒的相对密度，指土粒的密度与一个大气压下4℃时水的密度之比，因为4℃水的密度为1 g/cm³，故土壤的相对密度在数值上就是土壤固体物质单位体积的质量，与土粒容重相等，但二者的量纲不同。土壤的相对密度反映了土壤矿物成分和有机质含量，土壤中常见的矿物相对密度平均值为2.6～2.7，对于有机质含量不太多的土壤，常以2.65作为相对密度值，用d表示，即：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

式中，d为无因次量。

2.土壤的容重（γ）

土壤的容重即单位体积自然状态（包括孔隙）的土壤质量。土壤容重的大小与土壤矿物成分、土壤质地、含水率、有机质含量及土壤的密实程度密切相关。容重的单位为g/cm³，常以γ表示。

土壤的容重通常分以下四种：

（1）湿容重（γ）。土壤自然状态下（含水）的容重，即包括固、液、气三相组成的容重：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

（2）干容重（γ_干）。自然状态下干燥土壤的容重：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

（3）饱和容重（γ_s）。孔隙中全部充满水时的容重。即：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

（4）浮容重（γ_f）。当土体淹没在自由水面下时的容重。此时，土粒受到水的浮力作用，浮力的大小等于土体所排开同体积的水重。即：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

按上述各容重的定义，同一种土壤各容重在数值上有如下关系：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

（二）土壤的孔隙性

土壤颗粒之间存在着大小不等的孔隙，其中孔径小于0.002 mm的极细小孔隙被水膜（薄膜水）所充满，称为无效孔隙；孔径在0.002～0.04 mm之间的孔隙，有明显的毛管作用，可吸持并传导水分，称为毛管孔隙；孔径大于0.04 mm的孔隙，为空气所占据，通气透水，称为有效孔隙。土壤的孔隙性用孔隙度和孔隙比来表示。

1.孔隙度（P）

土壤的孔隙度亦称孔隙率，为一定体积土壤中，孔隙体积占土壤总体积的百分数，用P表示。

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

土壤孔隙度与土壤质地有关，同时受土壤结构、有机质含量、耕作措施等因素的影响。

2.孔隙比（e）

孔隙比是指一定体积土壤中，孔隙体积与固相体积之比，用e表示。

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

孔隙率与孔隙比的关系为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

孔隙率和孔隙比均表示土壤孔隙所占体积的相对比例，反映土壤的密实程度。冻融土壤的孔隙随水的相态变化而变化。

（三）土壤含水率（θ）

土壤含水率表示土壤液相的相对含量，反映了土壤湿度状况，包括土壤的自然含水率和各种水分常数。不同的含水率还可进一步反映水分在土壤中的受力和运动情况。

含水率指标在实际应用中又分为质量含水率和体积含水率。

1.质量含水率（θ_m）

质量含水率为土壤中的液相与固相的质量比例百分数。

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

质量含水率常在测定指标时使用。

2.体积含水率（θ）

体积含水率是土壤液相体积占土壤总体积的百分比。

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

体积含水率也称为容积含水率，它便于直接进行水量平衡或能量平衡以及水分和溶质运移等的计算，所以除特别说明外，通常所说的含水率均指体积含水率，用符号θ表示。

质量含水率θ_m和体积含水率θ的关系为：

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

（四）冻土含冰率（θ_i）

土壤冻结后，土壤中部分水转化成胶结冰和冰包裹体，冻土含冰率为胶结冰含量与冰包裹体含量的总和，它又分为质量含冰率和体积含冰率。

1.质量含冰率（θ_im）

质量含冰率为冰重与土骨架的质量之比。

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

2.体积含冰率（θ_iV）

体积含冰率为冰的体积与冻土体积之比。

水分在季节性非饱和冻融土壤中的运动

在冻融土壤水分运动的研究中，常将冻土的含冰率和液相含水率统称为土壤含水率。