冰川消融耦合模型研究

以冰川的热量、固态、液态平衡为依据,结合液态降水和冰川热量收支等关系,导出完备的冰、热和液态水耦合冰川消长模型。应用于乌鲁木齐河源1号冰川及其总控制水文点,通过4～5年径流过程和冰川物质平衡的模拟检验,表明结构是合理的,效果是好的。     

冰川模型及其在古冰川模拟研究中的应用

冰川模型已广泛应用于预测未来的冰川变化。随着冰川地貌制图、测年和古气候研究的不断发展,冰川模型也逐渐用于模拟古冰川变化、估算古冰川发育时期的气候信息和探讨古冰川演化的气候驱动因素。本文综述用于古冰川模拟的两类模型：地貌-冰面剖面形态模型和物质平衡-冰川动力耦合模型,介绍不同冰川模型的原理、用于古冰川模拟的流程和利用地貌体进行模型参数校验的方法。在此基础上,以青藏高原及其周边山地为例,总结利用冰川模型恢复古冰川的范围、体积、平衡线等参数,估算不同冰川发育时期的温度和降水,以及评估测年数据及其恢复的古冰川期次和规模的案例研究。最后指出了利用冰川模型进行古冰川模拟研究存在的问题和未来发展趋势,为进一步加强和改进冰川模型在古冰川模拟研究中的应用,恢复古冰川的规模、演化过程及其气候驱动机制奠定基础。     

考虑多晶冰软化特性的弹塑性损伤本构模型开发及应用

随着全球气候逐渐变暖,冰川、大型冰盖或较厚的冰层发生大规模滑动、崩塌灾害的可能性和危险性不断增加,研究多晶冰的变形特性并建立其本构模型对极地灾害预报具有重要的意义。基于已有的人造多晶冰常规三轴压缩试验数据,发现人造多晶冰具有明显的应变软化特征,构建以等效塑性应变为变量的损伤变量,以摩尔-库仑准则为初始屈服函数,采用相适应流动法则,建立了能够反映多晶冰应变软化特征的弹塑性损伤本构模型。利用不同围压、不同温度条件下的常规三轴压缩试验数据对提出的本构模型进行了验证,并对部分模型参数进行了参数敏感性分析。将建立的弹塑性损伤本构模型写入FLAC^3D软件中,利用单个单元的三轴压缩数值模拟对写入的本构模型进行了验证;然后使用写入的弹塑性损伤本构模型对圆柱状试样开展三轴压缩数值模拟,对数值模拟结果进行了详细的分析。研究结果以期为冰川稳定性分析以及冰川多场耦合研究提供理论及数值基础。     

冰川系统变化的模型研究——以西藏南部外流水系为例

以西藏南部外流水系冰川系统结构为基础 ,应用冰川消融与夏季气温的关系、冰川径流变化规律、平衡线的代表性特征及其上升的降温效应 ,提出冰川系统变化的功能模型 .结果表明 :在持续升温的情景下 ,海洋型冰川对径流变化响应迅速 ,且退缩快、寿命短 ,而增流率不大 ,增流期短 ,在本世纪内径流将全面衰减 ;大陆型冰川对径流变化响应迟钝 ,且退缩慢、寿命长 ,而增流率大 ,增流期长 ,下世纪以后径流才将衰退 ;规模大及高差大的冰川比规模小及高差小的冰川退缩慢 ,寿命长 ,而增流率大 ,增流期长     

弹塑性耦合条件下沥青混凝土的应力-应变关系

三轴试验的结果表明,由于应用于水利工程的沥青混凝土自身的孔隙率小,侧向作用效应十分明显,体积变形较小,且主要表现为剪胀特性,目前已有的非线性和弹塑性模型难以正确地反映复杂应力状态下的这种力学行为。考虑沥青混凝土不遵守关联流动法则和Drucker公设,其弹性系数伴随塑性变形过程而改变,建议了一个在弹塑性耦合基础上的双屈服面弹塑性模型,与室内三轴试验结果吻合良好。     

考虑温度影响的软岩弹塑性本构模型

煤矿的深度开挖、核废料的地下储存和能量桩的广泛应用等诸多的岩土工程问题都需要考虑温度对软岩力学特性的影响。为了能较为全面地描述软岩的力学特性,基于上下负荷加载面,引入温度等价应力的概念,在tij应力空间下构建了一个可同时考虑温度效应、中间主应力影响、结构性、超固结性等软岩力学特性的弹塑性本构模型。新模型的所有参数都具有明确的物理含义。通过理论曲线与试验结果进行对比,验证了所提本构模型的正确性。最后通过改变模型参数,对新本构模型的性能进行了分析讨论。计算结果表明：（1）增大超固结比发展控制参数m或者减小结构状态发展控制参数m*,将会提升软岩的剪切强度。（2）随着温度的上升,软岩的剪切强度反而减弱。（3）初始的超固结比越大,软岩的剪胀特性更明显;而初始的结构性较大时,其体积应变在剪切的最后阶段表现为剪缩。     

一个统一描述饱和-非饱和土温度效应的热-弹塑性本构模型

地热资源开发与利用及核废料地质处理等诸多岩土工程问题,都需要考虑温度对饱和土和非饱和土应力、应变特性的影响。为了综合反映温度和吸力对土的先期固结压力的影响,提出了不同温度下土的先期固结压力的表达式。将此表达式与黏土–砂土统一状态参数模型屈服面相结合,考虑了温度和吸力对正常固结线及临界状态线的影响,提出了一个统一描述饱和–非饱和土温度效应的热–弹塑性本构模型。该模型分为饱和段(吸力小于某一温度下的进气值或排气值)与非饱和段(吸力大于某一温度下的进气值或排气值)。模型预测与试验数据的对比表明,该模型能够较好地定量描述不同温度下饱和土和非饱和土的应力、应变特性。     

考虑降解效应的城市固体废弃物非线性本构模型

基于城市固体废弃物(MSW)的降解及土力学特征,在应力降解模型、等向压缩特性和邓肯-张模型的理论基础上,建立了一个能够描述MSW应力和降解耦合作用的全量非线性本构模型。给出了不同应力状态下单元体体积和轴向变形随时间变化的数学表达,同时给出了所有参数的确定方法。采用该模型对不同龄期和不同围压条件下填埋场现场试样的三轴CD应力-应变曲线以及室内长期一维降解压缩试验进行了模拟。结果表明,模型概念合理、参数明确,能够较全面地描述不同降解龄期垃圾的本构关系,可用于分析填埋场的长期变形。     

材料模型参数对自由场地震响应的影响

水平自由场地震响应分析是岩土地震工程近几十年的研究热点之一。利用完全耦合有限元程序SUMDES 2006和临界状态砂土本构模型,分析了15 m深的饱和砂土自由场在地震作用下的响应,包括加速度的传播、孔隙水压力的发展、侧向变形以及地面沉降。通过增大和减小10 %参数值,分析了材料本构模型中12个参数值的变化对土层地震响应的影响。分析结果表明,在这些参数中,临界状态应力比M和e - 平面中临界状态线在 轴上的截距 的影响比较显著,因而利用室内试验数据率定模型参数时,需保证其有足够的精度。分析结果也说明,用于自由场地震响应分析时,临界状态砂土本构模型仍然有进一步简化以减少参数个数的空间。     

热力耦合边界面模型在COMSOL中的开发应用

基于边界面理论的热力耦合模型可以模拟边界面形状和尺寸随温度的变化,能够反映不同超固结比情况下升-降温引起的土体体积变化和温度对剪切特性的影响等土体重要的热力学特性。为了在热-流-固耦合分析中采用热力耦合边界面模型,基于有限元软件COMSOL,通过修改内置材料方程、耦合渗流和固体力学控制方程以及添加计算边界面内塑性应变偏微分方程的方法对一热力耦合边界面本构模型进行了二次开发。利用所开发模型,对一维固结问题、常温等向压缩问题、排水条件下等向升-降温问题和不同温度下不排水三轴压缩问题进行了模拟,验证了模型的可靠性和有效性。     

冰川动力学模式及其对中国冰川变化预测的适应性

冰川动力学模式以其优越的物理过程描述能力,在冰川变化的预测研究中占有重要地位.其中“频率响应模式”、“剖面形状因子模式”和“冰流模式”较为成熟,并且具备对山岳冰川演变的模拟分析能力.从发展历史、主要利弊以及适用条件和范围几个方面,对上述3种模式进行了讨论,并对其在我国冰川上的运用前景进行了探讨.     

青藏高原冰川内部富含水冰层的发现及其环境意义

基于青藏高原昆仑山玉珠峰冰川Core 1冰芯钻取过程中所获得的相关资料,揭示出在该冰芯钻取点处的冰川内部34.34~34.64 m深度段存在一个富含水冰层,其未冻水(液态水)具有承压性质,水头高度至少可达到8.54 m. 该富含水冰层的存在不仅对冰川温度场带来了极大的影响,而且使该层中δ¹⁸O记录趋于均一化. 通过分析,揭示出该富含水冰层中可溶杂质离子浓度明显高于其上部冰层中的可溶杂质离子浓度,这是富含水冰层在形成初期其上部粒雪层融水下渗所引起的可溶杂质离子淋溶的结果. 同时,研究表明玉珠峰冰川粒雪中可溶杂质离子的优先淋溶顺序为NO₃^-> Mg²⁺> Na⁺> Cl^-> K⁺> SO₄^2-> Ca²⁺> NH₄⁺. 提出可利用最易淋溶离子的浓度与最不易淋溶离子的浓度之比值,来判断冰雪层中可溶杂质离子浓度峰值是否与淋溶有关. 结合青藏高原其他地点冰芯钻取过程中发现的富含水冰层状况,认为青藏高原冰川内部富含水冰层不是在整个冰川区域内呈层状分布,而是在冰川内部呈透镜状分布. 冰川内部富含水冰层的存在,表明其形成初期气候相对较暖. 最后,阐明了青藏高原冰川中富含水冰层的形成机理与演化过程,并预测了其潜在的灾害效应.     

极地和山地冰川雪冰中重金属的研究进展

地球系统中含量甚微的重金属元素是评价人类活动对大气环境影响的良好指标,研究极地和山地冰川地区过去和现代雪冰中重金属的历史记录,可以重建这些元素在过去大气环境中的循环过程,对认识地球大气环境中重金属污染的规模和历史、揭示这些污染物质的来源及中长距离的输送过程具有重要的作用.概述了格陵兰、南极、阿尔卑斯山和青藏高原等地区雪冰中重金属的研究进展,并对该领域未来的研究方向进行了展望.     

考虑温度变化的地下水运动方程及其在储能模型中的应用

从建立一般条件下的多孔介质液相动量守恒方程出发,较严密地堆导了考虑温度变化的地下水运动方程,并在此基础上了一个新的含水层储能模型,该模型用于上海第二承压含水层群井储能试验,取得了令人满意的结果,从而证明了高温差条件下对地下水运动方程进行修正是必要的,具有重要的理论和现实意义。     

微粒对多晶冰流变行为的影响(Ⅰ):应力下的流变行为

研究了应力下微粒对多晶冰流变行为的影响.结果表明:微粒分布在晶界或同时分布在晶界和晶内都将增加多晶冰的流变速率.当微粒只分布在晶界时,含微粒浓度为1 wt.%的多晶冰有最高的最小流变速率;当微粒同时分布在晶内与晶界时,多晶冰的最小流变速率基本与微粒浓度无关.微粒提高流变速率的原因来源于提高了流变过程中的位错密度,分布在晶界和晶内的微粒可以分别通过阻碍晶界滑移,发展内应力及Frank-Read位错增值机制提高流变过程中的位错密度.     

青藏高原典型冰川和湖泊变化遥感研究

青藏高原冰川和湖泊变化是气候变化敏感的指示器,利用地形图、航空照片、TM卫星遥感资料和其它相关研究文献资料,分析了青藏高原典型地区的冰川和湖泊变化情况.结果表明:1960-2000年期间,在气温上升、降水增加、最大可能蒸散降低的背景下,研究区内不同地区湖泊的面积变化存在比较大的空间差异.以冰川融水为主要补给的纳木错和色林错地区的主要湖泊以扩大为主,而以降水为主要补给的黄河源地区的主要湖泊则基本上全面萎缩.研究区的冰川在1960-2000年期间以退缩为主,但各地退缩的幅度有较大的差异.     

冰期夏季降温和年降温关系的初步研究

本文根据冰期自然地带的变化来反演夏季降温和年降温的关系,结果表明:根据自然地带的南北水平变幅所求得的夏季降温值要小于年降温值;根据山地自然地带的垂直变幅所求得的夏季降温值要大于年降温值。认为冰期中夏季降温和年降温的关系决定于冰期本身的成因。本文对地球轨道要素中黄赤交角ε的变化对夏季温度和年平均温度的影响进行了讨论。     

渤海海冰动力学中的粘弹塑性本构模型

在粘塑性海冰本构模型的基础上,将Kelvin-Voigt粘弹性本构理论引入到海冰动力学中,进而建立了粘弹塑性海冰本构模型.该模型可较好地反映渤海海冰在小应变和小应变率条件下的粘弹性力学行为,同时还考虑了大应变率下的海冰粘塑性力学行为.对渤海辽东湾海冰进行了48h数值模拟.结果表明:粘弹塑性海冰本构方程较Hibler的粘塑性本构模型可更好地处理渤海的冰间相互作用,提高海冰数值模拟的计算精度.     

唐古拉山东段布加岗日地区小冰期以来的冰川变化研究

对唐古拉山东段布加岗日地区小冰期以来的冰川变化资料进行了分析,结果表明,该地区小冰期最盛时(即15世纪)冰川总面积和总储量分别为241.46km²和19.6282km³,目前其面积和储量分别已减少了23.7%和15.1%,并且自小冰期以来有184条长度大约为0.6km的小冰川已消失.该地区各冰川面积和储量的绝对变化量随着冰川规模的增大而增大,而其相对变化百分数却是随着冰川规模的增大而减小.不同方位冰川小冰期以来的平均面积萎缩量、平均末端退缩量和平均末端高程上升量均表明,南坡冰川变化的绝对量比北坡的大.这说明在同一气候变化背景下,该地区南坡冰川对于气候变化的响应比北坡冰川敏感.小冰期以来该地区冰川雪线上升了约90m,这大致相当于气温上升约0.6℃.