冻结土壤介电常数混合模型机理研究

介电常数是微波辐射传输理论所需的最重要、最基本的参数。通过研究平均温度低于-4℃,组分中含有冰的土壤——冻结土壤,建立了一种适用于微波波段冻结土壤的介电常数混合模型。该模型考虑了土壤温度、微波频率、土壤质地以及其中未冻水含量的影响。模型使用一点法计算未冻水含量,引入Stern双电层理论计算冻结土壤未冻水的介电常数,引入Maxwell-Garnett介电常数混合理论、介电常数容积混合理论构建冻结土壤介电常数混合模型。模型计算结果与实测资料进行了详细的对比分析,冻结土壤介电常数混合模型给出的介电常数实部、虚部的曲率与实验结果很好吻合,模型结果比较满意,对比分析证实了模型的可靠性。     

基于FDTD的月壤分层雷达探测正演模拟

“嫦娥三号”巡视器上搭载的测月雷达通过500 MHz频率的天线,对巡视路线上的月壳浅层结构进行剖面式观测,能探测到月球地底下30 m深土壤层的结构。为了更好地分析测月雷达的探测结果,文中对月壤分层进行正演模拟,月岩层的介电常数采用与“嫦娥三号”登月点位置最近的Apollo 15的电性参数近似代替,月壤的介电常数是一个和密度相关的值且随深度的变化而变化。根据以上参数建立模型,基于时域有限差分（FDTD）原理,利用GprMax对月壤分层结构进行模拟,建立的模型包括月表介电常数随深度变化二层模型和月岩层存在下界面三层模型,并对其波形特征进行分析,找到月壤层次划分的一般规律,对“嫦娥三号”测月雷达数据的分析提供理论依据。     

含水量对冻结含盐粉土单轴抗压强度影响的试验研究

采用取自甘肃省白银市平川区黄河岸边的天然盐渍土,用蒸馏水洗去土中的盐分,配制成NaCl/Na2SO4含量为1.5%,含水量不同的试样,研究了冻结条件下含水量对冻结含盐粉土单轴抗压强度、破坏应变的影响.结果表明:当含水量较小时,随着含水量的增加,冰的胶结作用增强,并与土颗粒、盐晶体一起承受荷载,冻结含盐土的单轴抗压强度不断增大;当含水量超过某一值时,试样更多地呈现出冰的性质,而冰的强度远远小于矿物颗粒的强度,单轴抗压强度随含水量的增加而减小.随着含水量的变化,含盐土的破坏应变与单轴抗压强度有相似的变化规律.     

用NMR法验证在冻土中TDR标定曲线的可靠性

TDR技术是一种较新的测定冻土中未冻水含量的方法, 它有很多优点, 但是由于TDR技术应用于冻土中测定未冻水含量起步较晚, 其可靠性有待于进一步验证. NMR技术是一种较成熟的测定冻土中未冻水含量的方法. 通过应用NMR和TDR两种方法对不同初始含水率下的棕壤土冻融特征曲线的测定, 对TDR法的标定曲线的可靠性进行了验证. 结果表明: 采用TDR法与NMR法测得的冻融特征曲线明显不同, 在相同负温下前者的测定值高于后者, 且其差异随初始含水率增高而加大; NMR法的测定结果表明, 初始含水率对冻融特征曲线的影响很小; 而TDR法的测定结果表明, 由TDR法测得的冻融特征曲线, 受初始含水率影响很大, 随初始含水率的升高而明显加大. 这表明含冰率和温度对冻土的介电常数影响很大, 因此, 采用TDR法测定冻土的未冻水含量时不宜采用原有的标定曲线.     

青藏粉质黏土冻融循环试验研究

以青藏公路沿线常遇到的青藏粉质黏土作为研究对象, 在室内分别进行了1、 2、 3、 4次冻融循环试验, 分析了冻融前后试样的温度分布特征、 水分分布特征、 冻融位移变化特征. 结果表明: 多次冻融循环的冻结过程中, 温度场分布更趋向均衡和平稳, 0 ℃等温线和低温等温线趋向深部发展; 多次冻融循环后, 试样含水量可划分4个区域, 第1区域为表层冰晶聚集高含水量区, 第2区域为低温梯度含水量均衡区域, 第3区域为冷锋面冰透镜冰层积聚高含水量区域, 第4区域为高温低含水量区域; 青藏粉质黏土首次冻结的冻胀位移量和相对冻融位移量都比较大, 冻胀量可以达到几十毫米, 冻胀率可达8.3%, 伴随冻融次数增加, 相对冻胀量和相对冻融量幅值逐渐减少.     

非饱和冻土的强度分析

冻土的强度是由土颗粒与冰的结合强度所决定,冰含量(或初始含水量)和干容重是非饱和冻土强度的主要影响因素.干容重越大,土骨架能够承受荷载的有效面积越大,冻土的强度也越大.同样干容重下的非饱和冻土,冰含量越多,冰与土颗粒的结合面积越大,承受的荷载能力增强,冻土的强度越大.为此,提出冰饱和度的概念,建立了非饱和冻土强度与饱和冻土强度关系,它涵盖了干容重和冰含量的影响作用,揭示了非饱和冻土强度的机理.通过试验验证,该关系式与试验结果具良好吻合.     

冰层厚度传感器及其检测方法

水结冰和冰融化过程中的电阻、电容、温度物理参数与被检测冰表面以上的空气层或冰下水层的电阻、电容、温度有一定的差异,有些差异在数值上比较明显。基于这一特点,笔者提出了利用空气、冰与水的物理特性差异实现对冰层厚度及冰下水位接触式检测的新思路,对含有导电杂质的冰、冰-水混合物、水、空气的电阻、电容特性随温度的变化规律进行了初步分析,并得到冰的弱导电性质和冰与水的电容区间单调特性,据此提出了冰层厚度传感器结构及其冰厚检测原理,介绍了新型冰层厚度传感器在实践中的应用。     

饱和粉土冻结过程中的水分迁移试验研究

改变边界温度和土样高度,对饱和粉土进行了冻结试验,研究其水分迁移、水分重分布、冻胀和冰透镜体的发展规律。试验结果表明：当温度稳定时,水分持续迁移到冻结锋面附近,含水率急剧增大,易形成冰透镜体。饱和粉土冰透镜体几何形态较为规则,无枝状交叉结构,已冻土为整体状且无网状裂隙。冻结过程中存在起始冻胀时间,在起始冻胀时间之前,土中水分被排出,冻胀发生之后水分补给到冻土中,且补给水分产生的冻胀量和总冻胀量数值接近。土样高度影响水分迁移量和冻胀量,土样越高,冻胀量越小,冻土含水率增量越小,但水分增量分布区域越分散,且起始冻胀时间越长。     

高富水卵砾石地层热物理参数试验研究

冻结法施工设计过程中地层的热物理参数是必须明确的指标, 为了探明高富水卵砾石地层热物理参数以及各参数与影响因素之间的相互作用关系, 本文以现场取回卵砾石样为研究对象, 通过自制试验装置测量试样起始冻结温度、比热容和导热系数, 探究含盐量对试样起始冻结温度的影响, 试样比热容、导热系数与冻结温度之间的相互作用关系, 试验结果表明:随着含盐量升高, 试样中水分的蒸气压不断下降, 造成试样需要更低的温度, 释放更多的能量才会发生冻结, 试样随着含盐量的升高起始冻结温度下降, 1、2、3号试样平均起始冻结温度从-0.46 ℃下降到-1.15 ℃; 随着冻结温度的降低试样中水分冻结, 卵砾石试样中含冰量增多, 未冻水含量减少, 由于冰的比热容是水的一半, 致使比热容不断下降, 卵砾石试样比热容从1.60 J·(g·℃)-1下降到1.06 J·(g·℃)-1; 随着冻结温度的降低试样含冰量增多, 含水量减少, 由于冰的导热系数远远大于水的导热系数, 致使卵砾石试样导热系数不断上升, 由1.71 W·(m·K)-1增加到2.13 W·(m·K)-1; 由于试样中含冰量、未冻水含量随温度不断变化, 固态和液态水的相变, 导致试样热物理性质随温度不断发生改变。     

温度影响下膨胀土强度的试验研究

通过对河南平顶山膨胀土温度影响下的抗剪强度试验,揭示了膨胀土的强度随温度、含水量、干密度、压力等参数变化的规律。结果表明：相同压力作用下膨胀土强度随含水量不同有较显著的变化,随含水量增加而减小。但当含水量增加到一定程度,强度不再随压力而变化,即内摩擦角为0。当含水量较高时,温度影响显著,相同压力、含水量和干密度情况下,液相为全液体时,随温度的升高抗剪强度增大;当液相有部分结冰时,其规律与干密度的大小有关。含水量较小时,压力较小情况下,温度对抗剪强度影响不明显。     

探地雷达测量土壤水含量的进展

包括探地雷达(Ground Penetrating Radar)在内的许多电磁方法正越来越多的应用于近地表水文地质领域。探地雷达技术基于介质的电磁特性,通过介质介电常数和速度的变化来反映土壤的体积水含量。水的相对介电常数为81,而周围介质的相对介电常数约为2~30,这样大的介电常数差异使探地雷达成为监测和分析地下水的有效工具。介绍4种应用探地雷达测量土壤水含量的方法,包括:探地雷达反射波法、探地雷达地面波法、钻孔探地雷达方法、以及探地雷达地表反射系数方法4种方法各有不同的适用条件,其中反射波方法最为常用。     

高含冰(水)量冻土的单轴抗压强度变化特性研究

沿用已有的制样方法, 在统一了制样过程中冰、水比例及冰颗粒尺寸的基础上, 开展了高含冰(水)量粉质砂土的单轴抗压强度系统性测试. 结果表明: 高含冰(水)量冻土的单轴抗压强度随应变率的增加而非线性增大; 随温度升高而减小, 减小趋势与总含水量有关. 随含水量的增加, 强度先是非线性增大, 然后逐渐趋于重塑冰的强度, 这有别于早期类似研究的结果. 同时, 也对试样中加入冰颗粒以保证试样高含冰(水)量的制备方法合理性产生了质疑.     

冻土过程参数化方案与中尺度大气模式的耦合

将发展的冻土过程参数化方案与耦合了NCARLSM陆面过程模式的中尺度大气模式MM5相耦合,对包括我国北方,蒙古国,东西伯利亚的高纬度地区进行了模拟.模拟时间选为北半球季节冻土生成的10月份.模拟结果表明,模式能够较好地模拟出该区域的冻土分布,并且对大气模式中海平面气压场、气温场的模拟改进显著.     

毛乌素沙地冻融期气态水迁移机理及影响因素

受冰-水间相变影响, 冻融期内土壤水、热传输过程变得复杂, 研究气态水分布特征与运移规律, 可为厘清冻融过程中沙地包气带水文循环机理提供关键信息。通过在毛乌素沙地建立原位监测点, 并利用修改后的Hydrus-1D冻融程序建立包气带水-汽-冰-热耦合数值模型, 对冻融期包气带气态水迁移过程展开研究。结果表明: 模拟与实测土壤水分及温度变化拟合较好, 证实所建立的模型具有良好的精度以及适用性; 对比典型未冻结、初始冻结、向下冻结以及融化时段结果可知, 冻融过程会改变剖面土壤水分、含冰量以及水汽密度分布, 其中水汽密度变化与温度联系紧密; 冻结后, 由温度梯度驱动的非等温气态水通量在总水分通量中的占比超过90%, 表明气态水占据主导地位, 其运移过程对于剖面土壤水分分布以及高含水量带出现有重要影响。     

The relationship between electrical capacitance-based dielectric constant and soil water content

Based on batch experiments conducted on soil samples in the laboratory, the relationship between dielectric constant and water content based on electrical capacitance measurement was investigated. Factors that may affect the relationship, such as measurement frequency, electrode array methods, and soil particle sizes, were analyzed. A model fitting the relationship between dielectric constant and water content was proposed. The results clearly indicate that even with the use of rod-like sensors, the measured electrical capacitance with 1 kHz frequency can be used to construct a good relationship between dielectric constant and water content. Although the electrode array methods (parallel or non-parallel electrode pair) and soil particle sizes do affect the obtained absolute values of dielectric constant to some extent, the relationship between dielectric constant and water content remains unchanged. A clear characteristic is the increase reduction in the dielectric constant at near saturation condition, and the low increase speed when water content is small. The proposed modified VG model incorporated this characteristic into it and fitted the data better than the reported models. These results suggest that the electrical capacitance-based dielectric constant measurement can be extensively used and would be useful, especially in the situations where parallel sensor requirement is difficult to satisfy.     

北极巴罗地区海冰消融初期表面特征及光谱反射率观测研究

北极海冰消融初期,上覆积雪急剧消融,融池开始形成,海冰表面物理特征异常复杂。由于观测资料缺乏,对这一时期海冰变化的研究仍存在较大不确定性。利用2015年5月份在巴罗Elson Lagoon海域观测的海冰表面物理特征和光谱反射率数据,分析了巴罗地区海冰消融初期表面积雪、裸冰和融池反射率特性及其影响因素。结果表明：消融初期,海冰表面异质性强,积雪、裸冰和融池相间分布。在积雪覆盖的区域,积雪对海冰光谱反射率起决定性作用,观测到不同雪深（3~23 cm）的反射率变化在0.53~0.85之间,平均反射率为0.76且反射率与雪深呈正相关。在表面积雪厚度相同的情况下,积雪底层含水量越大,表层反射率越小。观测还显示,在融池形成的区域,海冰的反射率急剧降低,融池初形成时反射率为0.206,略低于裸冰（0.216）。随着融池的发展,当其深度达到10 cm时,反射率仅为0.04,与开阔海域海水接近。     

温度和含冰量对冻结土石混合体力学特性的影响

冻结土石混合体是一种力学特性极为复杂的岩土材料,其力学特性对温度和含冰量等因素非常敏感。然而到目前为止,对于其力学行为随温度、含冰量及法向压力等的变化特征仍然缺乏足够的了解。本文开展了一系列的冻结土石混合体的直剪试验,研究了温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体剪切特性的影响。结果显示温度、含冰量及法向压力对冻结土石混合体的剪切行为都有重要影响。在其他条件相同时,冻结土石混合体的抗剪强度随着温度的下降呈指数形式增长。当温度高于-5℃时,抗剪强度增加很快,而当温度低于-5℃时,抗剪强度仅有微小增加。在-5℃时,冻结土石混合体的抗剪强度随着含冰量的增加先增加后减少。抗剪强度最大值出现在含冰量在11%左右。冻结土石混合体的粘聚力随着含冰量的增加先迅速增加,在含冰量大于11%以后,粘聚力又有微小下降,而内摩擦角随着含冰量的增加缓慢减小。冻结土石混合体的抗剪强度随着法向应力的增加而增加,但在高法向应力下,其塑性增强。     

Estimation of dielectric permittivity,water content,and porosity for environmental engineering and hydrogeological studies using ground penetrating radar,a short review

Ground penetrating radar is a noninvasive geophysical technique that can be used to infer subsurface geological, geotechnical, and petrophysical attributes. For water contamination studies, ultimate target, i.e., contaminant flow, is demarcated with the help of dielectric permittivity, water content, and porosity. The dielectric permittivity facilitates to evaluate water content; whereas the dielectric permittivity can be estimated by using the interval velocity, and porosity can be estimated by using the information of water content and dielectric permittivity. All these parameters are interlinked. This paper describes different empirical and mixing relationships to calculate approximately these parameters and their utilization in predicting the hydrogeological model of the area.     

Spatial pore characteristics of unsaturated soils caused by dielectric geometric factors under permittivity method with 1 GHz frequency range

A dielectric measurement device called a frequency domain reflectometry (FDR) has been designed and constructed for the dielectric measurement of unsaturated soil consisting of a volumetric soil water content of about 0.1, 0.2, and 0.3 m³/m³ with different soil porosity around 0.40–0.45, respectively. The dielectric constant is measured in the frequency range 1 GHz. Soil calibration tests and tracer injection tests on standard sand and river sand are carried out in the laboratory. FDR measurement probes at different soil depths allow volumetric soil water content and dielectric constant measurements. The tracer concentration in the pore water is monitored by determining the dielectric constant, from the soil impedance. From the relationship between volumetric soil water content and dielectric constant, the specific calibration equations for the unsaturated soils were derived, and one can easily estimate the volumetric soil water content from the response of the measured dielectric constant for the soils. In the study of dielectric mixture models using α-value of 0.5 which is dielectric geometric factor, the effective porosity for the soils was computed to a range of 87–92% compared with the soil porosity.     

祁连山老虎沟12号冰川冰下形态特征分析

利用探地雷达对老虎沟12号冰川进行了多个剖面观测,分析了雷达图像反映的冰川内部特征.结果表明通过分析雷达图像中的纹理和位置,雷达波形的振幅和极性变化等信息能够有效的辅助识别冰川内部介质的变化界面位置和估算其规模.在老虎沟12号冰川的部分剖面内部存在冰内空洞、冰内融水空洞、冰下裂隙、冰下河等地貌形态,在冰岩界面和冰川边缘存在规模不等的碎屑层.这说明即使在典型的大陆型冰川,冰川内部结构也可能较为复杂,在冰岩界面处可能存在较强的冰川作用.