冻土频域介电特性及极化特征研究

Different components of permafrost (soil particles, water, ice, salt, organic matter, etc.), especially the water content and the state of water, directly affect the physical properties and engineering characteristics of permafrost. There are many methods for measuring the water and salt content of soil. The most common methods is the frequency-domain dielectric constant method, but the effect of application in frozen soil is not ideal. High precision measurement cannot be achieved for permafrost research under the environment of Qinghai-Tibet Plateau and other harsh environment, because of the short of research results on the dielectric properties of frozen soil. Dielectric properties can reflect the characteristics of frozen soil from the inherent physical elements and electromagnetic features. The application of dielectric constant on the measurement of frozen soil component can improve the measurement accuracy and applicability. Therefore, the high-end dielectric measurement instruments - the vector network analyzer equipment will be used in this project, to study the dielectric properties and its regularity of different texture of frozen soils under different environment condition, such as moisture, heat and salt. The dielectric model of each component and dielectric constant in permafrost will be constructed. Finally, on this basis, the polarization process and relaxation characteristics of frozen soil will be analyzed, further, the function relation between unfrozen water content and relaxation frequency in frozen soil will be developed. These studies will provide technical support and theoretical basis for accurate determination of each component of frozen soil.

冻土不同组分(土颗粒、水、冰、盐、有机质等)，尤其是含水量及水的赋存状态直接影响冻土的物理性质和工程特性。目前，已有多种方法测定融土中各组分的含量，频域介电常数法便是使用最广的方法之一。但用于冻土研究中效果并不理想，更无法在青藏高原等严酷的野外环境下进行高精度测量，其主要原因是缺乏冻土介电特性的研究成果。由于冻土的介电特性研究能够从元素固有物理和电磁特性方面反映冻土特征，故有望通过冻土介电特性的研究从根本上解决介电传感器应用于野外冻土组分测定的精度及适用性问题。为此，本项目拟通过矢量网络分析仪等设备，研究不同质地冻土在不同含水量、温度和盐分等条件下的介电特性及其规律，并据此构建冻土中各组分与介电常数的混合介质介电模型。在此基础上深入分析冻土的极化过程及弛豫特性，确定冻土中未冻水含量与弛豫频率的函数关系，为冻土各组分的精确测定提供技术支撑和理论依据。

项目基于矢量网络分析仪，进行了冻土的频域介电测量，实验选用4种不同高原冻土，分别进行了5个初始含水量，10种不同温度，4种不同含盐量的土壤介电测量，完成了冻土频域介电特性影响因素的规律性分析，此外还进行了不同影响因素对不同土壤冻结温度的影响研究。测试数据表明：（1）任意初始含水率下的相对介电常数都随着频率的增大而减小，低频时（10M~20MHz）减小得更快，当频率大于 30MHz时趋于平缓 ，大于70MHz时趋于平稳；同一土样在同一频率下的相对介电常数随着初始含水率的增大而增大。随着温度的升高，土壤的相对介电常数在负温呈上升趋势，含水量越高，上升趋势越明显；（2）土壤介电损耗因数随体积含水量和含盐量的增大而增大，同一个含水率下，含盐土壤的介电损耗因数随频率的增大而减小，当频率大于某一临界频率时，介电损耗因数趋于稳定，并且随含水率的增大，临界频率点的数值不断增大。在低频时，介电损耗因数都有一个极大值，随着频率的增大而迅速降低后趋于平稳，随着含盐量的增加，极大值急速增大，且随含盐量增大趋于平稳需要的频率值增大。四种不同类型的含盐土壤介电损耗因数都随温度升高而升高，而土壤盐度的增加导致不同温度下土壤介电损耗因数间的差距增大。（3）含盐量和压实度一定时，冻结温度随初始含水率的增加呈“先陡后缓”型变化趋势，含盐量越大，这种趋势越明显。在同一含盐量下，土壤的冻结温度随含水量的增加而升高，且含盐量越高，土壤的冻结温度越低；土壤冻结温度随初始含水率的增大总体呈增大趋势，当初始含水率较高时，土样冻结温度上升最快。含盐量为0%时，冻结温度越接近0℃。.本项目有助于了解各主要影响因素对不同类型土壤介电特性的影响规律，也为解决介电传感器应用于野外冻土组分测定的精度及适用性问题，为冻土各组分的精确测定提供技术支撑和理论依据。