昆仑山地区冻融土导热系数试验测试与预测模型研究

为探究青藏高原工程走廊带昆仑山地区冻融土导热系数基本特征,采用瞬态平面热源法对钻取的349组冻土试样和245组融土试样导热系数进行了测试,分析了五类土导热系数分布特征及天然含水率、干密度与导热系数的偏相关性,并以两者为变量因素建立了经验公式拟合、支持向量回归（SVR）和径向基（RBF）神经网络导热系数预测模型。结果表明:冻融土导热系数整体均呈粗颗粒土大于细颗粒土特征,且冻土和融土导热系数随土性分布规律存在差异;天然含水率、干密度与导热系数均呈正相关性,不同土类偏相关性结果差异明显,典型土导热系数二元经验回归方程表现为非线性拟合结果。对比三种预测模型下各典型土冻融土导热系数预测结果,全风化千枚岩、角砾及砾砂三种预测模型效果整体较佳,粉土的SVR及RBF神经网络预测精度较好;融土导热系数预测效果整体略优于冻土,SVR及RBF神经网络模型下角砾、粉土及全风化千枚岩融土导热系数预测精度较高。综合导热系数模型预测效果和误差结果分析可得,SVR和RBF神经网络模型预测效果显著优于经验方程拟合,后者针对部分土性拟合效果相对较好,可满足一般工程估算需求;SVR和RBF神经网络预测模型针对不同土性导热系数预测效果呈差异性变化,整体预测效果相当,且预测精度更高、应用土性范围更广。     

基于微观结构重塑的非饱和冻土导热系数预测

为预测非饱和冻土的导热性能,基于土体微观结构,提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法,并将该算法与传统有限单元法组合,建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像,采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率;改进传统的四参数随机增长法,提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法;基于生成的非饱和冻土模型,通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数,并与规范中冻土导热系数进行对比,验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差<4%）;通过多因素分析研究孔隙率、颗粒大小、土体导热性、饱和度以及结冰率对非饱和冻土导热性影响,各因素与导热系数的相关系数依次为：-0.352、-0.098、0.641、0.520和0.060,影响大小为：土颗粒导热性>饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。     

楚玛尔河黏性土与砂土导热系数试验研究

为探究青藏工程走廊带楚玛尔河地区冻融土导热系数的基本规律,采用瞬态平面热源法测试了148个冻土试样和88个融土试样导热系数。对楚玛尔河地区黏性土和砂土导热系数的总体特征及影响因素进行分析;对黏性土、砂土导热系数与干密度和含水率之间进行二元回归方程拟合,并分别建立黏性土、砂土RBF神经网络预测模型。结果表明:楚玛尔河黏性土导热系数分布较为集中,砂土导热系数离散度高,分布范围较广;二元回归方程对黏性土、砂土导热系数平均拟合优度较低;与二元回归方程相比,以干密度和含水率作为输入因子所建立的楚玛尔河黏性土、砂土导热系数RBF神经网络预测模型具有更高的精确度。研究成果可有效预测青藏工程走廊带土体导热系数,对冻土温度场计算具有重要指导意义。     

青藏工程走廊冻融土热扩散系数特性与预测模型研究北大核心CSCD

热扩散系数是多年冻土对外界热扰动敏感程度的重要影响参数之一,也是寒区工程设计与建设的关键基础数据。基于瞬态平面热源法导热系数测试结果和质量加权法计算获取的比热容理论值,计算获得青藏工程走廊西大滩—唐古拉山沿线典型类别土样热扩散系数,分析对比了走廊带内冻融土热扩散系数的分布特征和参数影响规律,提出了基于经验拟合公式法和RBF神经网络方法的冻融土热扩散系数预测模型,并比较了不同预测模型的预测效果。研究结果表明:青藏工程走廊带内土的热扩散系数与粒径整体呈正相关性,融土热扩散系数按黏性土、粉土、全风化岩类、砂土及碎石土依次增大,冻土热扩散系数按黏性土、全风化岩类、粉土、碎石土及砂土依次增大;热扩散系数与容重及天然含水率相关性随土类及冻融状态差异明显,冻、融土热扩散系数呈显著正线性关系;以融土热扩散系数为拟合参数的冻土热扩散系数三元预测模型的预测精度明显高于二元经验公式;RBF神经网络模型在冻、融土热扩散系数预测中均具有最优的预测精度,为最佳预测模型。     

宽饱和度范围非饱和土抗剪强度指标的演化模型

非饱和土的抗剪强度指标随饱和度变化的规律错综复杂,为了用数学模型描述这些规律,对现有文献中非饱和土的黏聚力、内摩擦角、剪胀角随饱和度变化的规律进行分析。分析结果表明：（1）当土体饱和度降低,土体从毛细作用主导逐步过渡到吸附作用主导时,土体内摩擦角会增大,其变化规律存在一个转折点,可以定义为临界饱和度Src。当饱和度Sr大于临界饱和度Src时,内摩擦角可视为常数;当饱和度Sr小于临界饱和度Src时,内摩擦角随着饱和度的减小线性增加,传统扩展摩尔-库仑准则等模型不再适用。（2）黏聚力随饱和度的变化过程存在山峰效应,即黏聚力先随饱和度Sr的降低呈指数函数关系增加,当饱和度Sr达到非饱和土强度极值对应的饱和度Srv时达到最大,随后有所降低,这也是导致非饱和土强度存在山峰效应的主要原因。（3）剪胀角随饱和度的降低和垂直压力的降低而增大,可采用线性模型描述。基于以上规律,提出了一个宽饱和度范围内的非饱和抗剪强度演化模型。通过与文献中的试验数据及现有强度模型拟合结果进行对比发现,新模型在描述宽饱和度范围内的土体强度时具有更好的适用性。     

冻土导热系数研究现状及进展

冻土导热系数是影响冻土温度及热通量变化的一个重要参数,也是研究陆地表层水热盐耦合运移的基本物理参数。根据国内外研究现状,列举了导热系数的测试方法（稳态法和瞬态法）,总结并讨论了冻土导热系数的影响因素及其变化规律,并对目前已有的导热系数计算模型进行了比较分析。现有研究认为：土壤质地、温度和含水（冰）量、孔隙度、土壤有机质等是影响冻土导热系数的主要因素,因此,冻土土导热系数随这些影响因素的变化规律方面的研究工作非常多;而关于未冻水含量、土骨架组成及冻土结构等对冻土导热系数影响的相关研究较为缺乏。通过比较分析国内外土壤热导率计算的相关模型,认为适用于常温下导热系数的模型发展趋于成熟;而现存的适用于冻土区的导热系数计算模型多以一种或几种土壤条件为前提,或者多考虑局地因素影响,模型的适用性具有局限性。考虑到多年冻土区土壤受冻融循环影响较大,以及多年冻土内部水热传输过程的复杂性,多年冻土区导热系数的计算模型仍需进一步深入研究。     

网纹红土土水特征曲线试验研究及其在边坡稳定性评价中的应用

网纹红土在中国南方地区有着广泛的分布,常见于各类岩土工程中。目前对网纹红土的研究主要集中在成因和粒度特性等方面,对于其非饱和特性方面的研究相对有限。本文采用滤纸法测量不同饱和度条件下网纹红土的基质吸力,利用Van Genuchten模型得到网纹红土的干燥-浸湿过程的土水特征曲线。研究发现,由于网纹红土孔隙较小且均匀,使得网纹红土存在进气值（约为100 kPa）相对于一般黏土较大、其土水特征曲线没有明显的残余段。利用干燥-浸湿过程的土水特征曲线对一维无限边坡的干燥和浸湿过程稳定性进行研究,发现在饱和度相同的情况下,边坡处于脱湿过程的稳定性要高于吸湿过程。随着深度的增加,脱湿与吸湿过程稳定性系数相差值减小;随着饱和度的提高,两者差值也出现减小的趋势。同时,网纹红土中基质吸力对抗滑力的贡献度较大,使得网纹红土质边坡较为稳定。     

降雨型浅层土质滑坡非饱和土-水作用特征试验研究

非饱和土在不同含水率条件下的基质吸力及其抗剪强度对降雨型浅层土质滑坡的防治具有重要意义。以武陵山区湘西北慈利县陈溪峪滑坡为例,选取了滑坡不同位置的多组粉质黏土原状样,首先利用现场双环渗透试验测定其饱和渗透系数,通过室内土-水特征试验获取其水-力相互作用参数,并利用VG模型和Mualem模型分别得到试样的土-水特征(SWCC)曲线和渗透系数函数(HCF)曲线;进而开展非饱和土直剪试验,研究不同含水率条件下滑体粉质黏土的抗剪强度变化规律。试验结果表明:不同水力路径下,粉质黏土土-水特征曲线和渗透系数函数曲线具有明显滞后效应,干密度越小则滞后效应越明显,基质吸力对体积含水率的敏感性就越小;粉质黏土由饱和状态到非饱和状态,基质吸力增大提高了黏聚力,导致土体抗剪强度不断增大。研究结论可为降雨型浅层土质滑坡的防治提供科学依据。     

含气砂土静止侧压力系数的试验研究

针对现行工程设计和数值分析中土的静止侧压力系数K0大多依经验确定并取定值的缺陷,对非饱和含浅层气砂土的K0取值问题开展系统的室内K0固结试验研究。结果表明,含气砂土K0值并非常数,砂土的含水率和密实度均对其有影响;其值随含水率的增大而增大,随密实度的增加而减小,密实度相对于含水率对K0的影响更为显著;工程设计中取松散饱和状态下砂土的K0值是偏于保守和安全的。     

面接触条件下胶结颗粒物导热系数模型优化

为了更好地探究岩土类胶结颗粒材料的导热系数变化规律,减少造成的热害问题,根据胶结颗粒物的结构特征,考虑颗粒物和胶结基质为混合物时的状态,并结合有效介质导热系数模型和面接触导热系数模型,构建了适用于岩土类胶结颗粒材料的有效导热系数计算模型。采用瞬态热线法测试了实验试块的导热系数,将预测值与实测结果和Maxwell-Eucken模型的计算结果对比后发现,两模型的导热系数计算值都随着孔隙率的增加而逐渐减小。4组测试数据结果显示,Maxwell-Eucken模型的导热系数计算结果平均值为0.171 72 W/（m·K）,优化的导热系数计算模型结果平均值为0.171 39 W/（m·K）,说明优化的导热系数计算模型得出的结论与实际测试结果平均值（0.169 22 W/（m·K））更接近,能够更好预测胶结颗粒物质的导热系数。      

土体导热系数的评价与计算

土体的导热系数是土木工程热工计算的重要参数.土体的多孔介质性质决定了土体的导热性质与干土、气体及孔隙充填物(水)的含量有密切关系.实验测试结果表明,土体不论处于冻结还是融化状态,其导热系数均随干容重以及含水量的增加而增大.采用土体的物理性质指标,对土体的导热系数进行了分析,给出土体导热系数较为方便的计算方法,有利于工程设计计算参数的选取,同时与实验测试结果对比,有较好的吻合度.     

青藏高原含砂砾石土壤导热率实验研究

土壤导热率是土壤的基本物理参数之一,也是陆面模式的重要输入量,对研究土壤热传输、水热耦合运移有重要意义。青藏高原由于独特的地理环境备受学者关注,但目前常用的土壤水、热属性参数化方案仅仅考虑了沙土、粉土和黏土,就砂砾石重要性的认识还不足,很少有模式模拟砾石对青藏高原多年冻土和高寒草地的影响。采用便携式热导仪（KD2 Pro,DECAGON,美国）测量了青藏高原玛多和北麓河两地典型土壤在冻结和未冻结状态下不同水分条件时的土壤导热率,分析了砂砾石含量对土壤孔隙度的影响及冻结和未冻结状态下,不同水分条件下砂砾石含量对土壤导热率的影响。结果表明：当含水量高于某一阈值时,含水土壤冻结状态下的导热率高于未冻结状态下的导热率;土壤含水量对土壤导热率影响显著,导热率随着含水量的增加而增大,在含水量较小时变化更明显;砂砾石含量比重多的土壤孔隙度较小,且砂砾石含量越大的土壤在冻结状态下导热率高。以上结果表明,砂砾石对土壤导热率有显著影响,在将来的模式模拟研究中必须考虑砂砾石对土壤热属性的影响,进而提高土壤水热过程模拟的精度。     

Investigating soil thermodynamic parameters of the active layer on the northern Qinghai-Tibetan Plateau

The soil thermodynamic parameters, including thermal conductivity, diffusivity and volumetric capacity within the active layer on the northern Tibetan Plateau, were calculated using the measured data of soil temperature gradient, heat flux, and moisture at four stations from October 2003 to September 2004. The results showed that the soil thermodynamic parameters exhibited clear seasonal fluctuation. The thermal conductivity and diffusivity in summer and autumn at Beiluhe, Kexinling, and Tongtianhe were larger than those in winter. The volumetric thermal capacity causes an opposite change; it was larger in autumn and winter than in summer. In spring, the soil thermal conductivity at the Kekexili station was larger than that in summer. Generally, fine-grained soils and lower saturation degrees in the topsoil might be a reason for the lower soil thermal conductivity in winter. For a given soil, soil moisture was the main factor influencing the thermodynamic parameters. The unfrozen water content that existed in frozen soils greatly affected the soil thermal conductivity, whose contribution rate was estimated to be 55 %. The thermodynamic parameters of frozen soils could be expressed as a function of soil temperature, volumetric ice content and soil salinity, while for the unfrozen ground the soil moisture content is the dominant factor for those thermal parameters. As for the soil thermal diffusivity, there exists a critical value of soil moisture content. When the soil moisture content becomes less than a critical value, the soil thermal diffusivity increases as the soil moisture content rises.     

冻土融沉系数的评价方法

融沉系数是估算冻土融化后沉降量的重要参数指标。融沉系数与冻土中的含冰量和干容重有关，含冰量大则冻土融化后的沉降量大，因此融沉系数大，在饱和状态，干容重较大的冻土，融沉系数较小，基于冻土融沉试验结果分析，建议引入界限孔隙率以此界定过大的冰含量完全用于沉降。将融沉分为3个状态来分析：非饱和、饱和以及过饱和(超过界限孔隙率状态)，给出的3个状态下的融沉系数计算方法与实验测试结果对比，具有较好的预报结果，从而使得融沉系数更容易评价。     

青藏高原中部冻土环境下土壤水分监测

利用2006-2007年冬季青藏高原中部那曲布交(BJ)站测量的土壤水势、未冻水含量以及土壤温度资料, 分析了冻土环境下土壤水势、 未冻水含量和土壤温度三者的关系. 结果表明: 青藏高原中部冻土环境下, 土壤水势随着土壤温度及未冻水含量的变化而变化, 土壤质地是决定土壤水势的一个重要因素;未冻水含量与土壤温度保持着动态平衡, 随着土壤温度的降低, 未冻水含量减小, 土壤水势也随之减小;20 cm处砂质壤土的未冻水含量与土壤温度呈指数函数关系, 土壤水势与未冻水含量可用二次曲线拟合, 土壤水势与土壤温度呈指数函数关系;Clausius-Clapeyron方程对于计算青藏高原中部非饱和冻土水势存在局限性.     

饱和度对泥质粉砂岩冻结力学性质的影响

饱和度对泥质粉砂岩常温下力学性质的影响已多有讨论,但对其冻结状态下力学性质的影响尚不明确。对6种饱和度（0%、20%、40%、60%、80%、100%）的泥质粉砂岩样品冻结前后的纵波波速、核磁共振T₂谱、冻结状态下的抗拉强度和点荷载强度进行了测试,试验结果表明：（1）冻结状态下,随饱和度的增加,纵波波速呈现先降低后升高的趋势;（2）在-20℃下,完全饱和样品内部孔隙水有49.2%保持未冻,60%饱和度的样品有81.4%未冻,而20%饱和度样品有87.4%的孔隙水没有冻结;（3）冻结状态下岩样的抗拉强度和点荷载强度随初始饱和度的增加均呈现减小-增加-减小的趋势,在饱和度80%左右均有一极大值,且两个强度的最大值均不出现在饱和度100%时。分析后发现,在低饱和度的状态下,冻结岩石的强度仍取决于孔隙中的未冻水含量;而在高饱和度的区间,孔隙冰的含量决定了其冻结强度;对于接近饱和的岩石,其冻结强度还受到冻胀损伤的影响。     

超声波技术在冻土物性测试中的应用探讨

超声波在冻土中的传播特性反映了冻土材料的动力学特征，利用超声波速度测试技术可以直接测试冻土的动力学弹性参数，实验结果表明，冻土的单轴压缩强度与冻土的超声波速度在单一影响因素改变时存在良好的相关关系，利用这种相关性，有可能采用超声波无损测试技术来估计冻土的强度，冻土的未冻水含量明显影响着冻土中超声波的传播速度，实验结果表明，超声波速度与未冻水含量之间存在很好的函数关系，它提示了超声波速度用于冻土未冻水含量测试的可能性。