季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

青藏高原季节冻土区土壤冻融过程水热耦合特征

青藏高原被誉为“中华水塔”, 其广泛分布的多年冻土和季节冻土在保证我国水资源安全上具有重要的地位。基于2015年7月 - 2016年6月青海海北站季节冻土的水热监测数据（土壤含水量为未冻水含量）, 分析了冻结深度的季节变化和冻融过程水热运移特征。结果表明： 各土层土壤温度与土壤水分含量变化均表现为“U”型。土壤温度变化规律与日平均气温基本一致, 但滞后于日平均气温的变化, 滞后时间取决于土层深度。与多年冻土冻融规律不同, 海北站季节冻土表现为单向冻结、 双向融化特征, 冻融过程大致可划分为三个阶段： 冻结初期、 冻结稳定期和融化期。同时, 季节冻土消融速率大于冻结速率, 且融化过程中以浅层土壤融化为主。在冻结过程中, 土壤水分沿上、 下两个方向分别向冻结锋面迁移, 各土层土壤含水量迅速下降。而在融化过程中, 各土层土壤含水量逐渐增加, 且在浅层土壤形成一个土壤水分的高值区。土壤冻融过程中未冻水含量与各土层土壤温度具有较好的相关关系, 且浅层土壤拟合效果优于深层土壤。本研究对揭示高原关键水文过程以及寒区水热耦合模型构建具有重要意义。     

季节冻土区黄土路基水分与温度变化规律研究

为研究季节冻土区压实黄土路基变形的影响因素,通过现场监测得到路基水分场与温度场的变化规律,并结合室内试验与数值模拟分析路基变形规律. 结果表明,天然地面以上路堤土体具有明显的季节性,水分场及温度场变化剧烈,而天然地面以下土体温度场及水分场变化较平缓,季节性不强. 路堤最大冻深约1 m,经历强烈的冻融循环和干湿交替过程,含水率变化量为5%~29%. 冻融循环作用在路肩处产生的变形较大,而干湿循环作用在路基中心处产生的变形较大,且后者引起的变形大于前者.     

季节冻土场地上的地脉动特征

以张掖市的一场地为研究对象,通过对不同季节地脉动的测量和分析,研究了场地的脉动频谱特性随季节的变化.对场地实测资料的分析发现,冬季随着上覆冻土层的出现,使得场地刚度发生变化,频谱形状也明显地改变,地脉动的卓越频率明显提高.     

季节冻土区路基土的损伤本构模型研究北大核心CSCD

为探索不同冻融循环次数和围压作用对季节冻土区路基土在不同含水率条件下的应力-应变关系及损伤机理,以辽宁阜新市某公路区间为试验路段,采用环刀法选取试验路段路基土样,通过冻融循环及三轴压缩试验,得到在不同冻融循环次数及围压作用下路基土的应力-应变曲线变化规律;根据损伤力学及统计学原理,将Weibull分布与Lemaitre有效应力原理相结合,建立了季节冻土区路基土损伤本构模型。结果表明:冻融循环作用可导致路基土试件强度降低,且随着试件含水率的增加,应力-应变曲线呈现由应变软化逐渐表现为应变硬化特征,试件最优含水率为应变软化与应变硬化的分界点;随着围压的增大试件强度增加,在冻融循环次数较少且围压较低时,试件的应力-应变曲线出现峰值应力,曲线表现出应变软化特征,在冻融循环次数较多且围压较大时容易出现应变硬化现象;经对比分析,所建立的损伤本构模型与试验应力-应变曲线吻合度较好,且模型所需参数均可通过三轴试验获得,说明该模型能够较好地描述季节冻土区路基土的应力-应变关系,具有实用性。另由试验结果可知,为降低东北地区冻融循环作用对季节冻土区路基强度的影响,提前做好路基的防排水工作对于路基冻融病害防治是非常重要的。     

基于季节冻土微观结构特征的神经网络冻胀率仿真预测

为了寻求基于宏观-微观物理参数间接得到季节冻土冻胀率的途径, 根据现有技术手段容易测试到土的性质参数, 利用BP神经网络法对季节冻土冻胀率进行预测. 选取微观孔隙参数及结构单元体参数各4个、 外部条件参数3个共11个参数, 建立季节冻土冻胀率神经网络预测模型. 结果表明: 在33个检验样本中, 误差最大为0.19, 最小为0.00, 有4个样本的误差在0.1~0.19之间, 其他样本误差都在0.05以下, 占总样本数的88%, 说明模型能反映冻胀变化的基本趋势. 因此, 文中建立的基于11个宏观微观物理参数的BP神经网络冻胀率预测模型是可行的.     

巴丹吉林沙漠季节冻土特征

通过巴丹吉林沙漠腹地连续的地温观测和2014年1月的专题考察,发现巴丹吉林沙漠属于季节冻土区,年冻结时间长达4个月.沙漠内部的局地地形和湖泊分布是影响季节冻土分布差异的重要因素.迎风坡和背风坡冻土冻结深度显著大于丘间地冻结深度,湖泊的存在使湖泊周边地区最大冻结深度显著变浅.通过沙漠及其周边地区地温、气温、地气温差的分析,结合我们在巴丹吉林沙漠外围发现的末次冰期砂楔群,表明我国北方沙漠在末次冰期属于不连续的多年冻土区.     

祁连山黑河中上游季节冻土年际变化特征分析

研究祁连山黑河中上游地区季节冻土的变化特征,对合理预测该区气候变化有重要的指导意义.利用1994—2009年祁连山黑河中上游地区3个气象站常年监测的冻土资料及气象资料,对黑河中上游地区的温度变化、季节冻土最大冻结深度年变化、年平均气温与年冻土最大冻结深度的关系、季节冻土的年冻结与消融规律等内容进行了分析.结果表明：气温...     

季节冻土区挡土墙冻害防治技术

根据近年来冻土力学、冻土物理学等研究成果,简述了季节冻土区挡土墙构筑物冻害防治技术的主要内容,包括：挡土墙冻胀破坏的形式,挡土墙冻害产生的原因,挡土墙抗冻结构计算方法,抗冻胀设计参数的确定,挡土墙抗冻技术措施等,可供工程设计人员参考。     

西藏自治区季节冻土区最大冻结深度及动态变化特征研究

利用西藏29个基准(基本)观测站1990-2014年逐日0cm地温资料,采用回归统计、斯蒂芬法等方法进行研究,基本查明西藏地区近25年间逐年最大冻结深度的变化情况。西藏地区最大冻结深度空间分布,西北靠多年冻土地区以及高山地区大于东南中低山谷地区;最大冻结深度呈从西北向东南方向递减的分布特征。最大冻结深度年变化率呈现出逐年变浅趋势,靠多年冻土区在个别低温年份冻结深度会明显增加。研究表明,除昌都市的最大冻结深度与年降水量呈现正相关外,其他地区最大冻结深度与年平均气温,年降水量基本呈负相关。年最大冻结深度与年平均气温的相关性,高于与年降水量的相关性。最大冻结深度减薄趋势反映与年平均气温和年降水量升高相关,最大冻结深度与年平均气温的相关性较与年降水量相关性显著。     

季节冻土区水泥改良路基土的温缩性能研究

基于季节冻土区冻融循环条件,利用高低温交变试验箱与静态应变仪,进行了不同配比水泥改良路基土的温缩试验研究.结果表明:水泥改良土的温缩应变呈"螺旋式"变化,温缩应变随水泥掺量增加逐渐增加,初始温度循环对水泥改良土影响较大,经历三次温度循环后水泥土温缩应变特性已相当明显且变化规律趋于稳定,土体内部物化反应也达到平稳,但多次...     

模拟季节冻土层影响的冻土墙模型试验

在季节冻土环境中使用人工冻结法时,由于季节冻土层与人工冻土共同存在,在前者影响下人工冻土墙的水平位移和制冷能量消耗与无季节冻土层时有显著不同。在改装的试验台上,通过使用水平冻结管形成季节冻土,用竖向冻结管形成冻土墙,施加水平荷载,模拟了6种季节冻土层温度条件下冻土墙的形成与开挖过程,以研究季节冻土层对冻土墙耗能、受力和变形性能的影响。结果显示,与无季节冻土层的情况相比,季节冻土层温度为-12 ℃时可减小冻土墙水平位移达8.79 mm,约占墙体总位移的52%,耗能量可减小40.4%。试验结果证明季节冻土层对冻土墙的影响不容忽视,在工程中应充分考虑季节冻土层的节能效应和变形约束能力。     

季节冻土区水盐迁移及土体变形特性模型试验研究

为研究盐渍化冻土水分、盐分迁移规律以及变形特性,探索寒区旱区土壤盐渍化机制,配制了不同含盐量的粉质黏土进行模型试验。试验结果表明,温度、水分、盐分和土体变形之间相互耦合。温度降低有利于盐晶体析出和未冻水结冰;反之,温度升高易于晶体溶解和冰融化。水盐相变过程中伴随能量的释放或吸收,影响土体温度。盐分改变了流体的动力黏度和土体冻结温度,并且盐分结晶使土体产生较大的吸力,加剧了未冻水含量的变化。水分是盐分迁移的介质,盐分以离子形式随未冻水迁移。降温期水分盐分向上迁移,升温期迁移方向相反。迁移速率与吸力有关,冻结缘附近吸力最大,速率最快。盐渍化冻土的变形是盐分和水分共同作用的结果,含盐量较低时冻胀和融沉是土体变形的主要因素;当含盐量较高时盐胀和溶陷占主导作用。     

1980-2017年青海省玉树地区季节冻土变化对气候变暖的响应

利用玉树地区5个气象台站1980-2017年逐月温度和最大冻土深度资料,采用线性趋势、相关及主成分分析等统计方法,对玉树地区最大季节冻土深度在气候变暖背景下的变化规律进行了详细探讨,在分析冻土深度与气温及地表温度变化关系的基础上给出最大冻土深度对温度变化的响应模型。结果表明：1980-2017年玉树地区最大冻土深度以10 cm·（10a）^-1速率呈显著下降趋势,年代际间变化则表现出“减-增-减-增”波动特征,年内对温度变化的响应在时间上存在一定滞后性;最大冻土深度空间分布呈“西北高、东南低”且具有明显的垂直地带性分布;温度变化对局地季节性冻土的影响有一定差异性,除平均最高地温外其余各温度因子与最大冻土深度变化具有良好的一致性,对冻土影响最大的是平均地温,其次为平均最低气温和平均气温,季节性冻土对气温变暖的响应呈现为退化状态。最大冻土深度变化的温度影响因子主成分回归表明,近年来气温和地温的显著升高是玉树地区冻土退化的最大驱动力,响应模型对估算玉树地区未来最大冻土深度的变化具有较高的可信度。     

1990-2014年西藏季节冻土最大冻结深度的时空变化

最大冻结深度是季节冻土变化的主要指标,也是季节冻土地区工程设计、建设、运营的重要参数。通过斯蒂芬（Stefan）方法计算了1990-2014年西藏地区季节冻土的最大冻结深度,分析了其时空变化特征,结果表明：近25 a西藏地区季节冻土最大冻结深度在空间分布具有垂直分带性、纬度地带性和区域性等规律,基本上呈自西北向东南方向递减的空间分布特征;时间上,在全球气候变暖的背景下,最大冻结深度基本呈逐年减薄的特征。西藏地区季节冻土最大冻结深度与年平均气温和年降水量呈现负相关,随着年平均气温和年降水量的上升,最大冻结深度呈减小的趋势,且最大冻结深度对年平均气温的响应比对年降水量的响应显著。     

季节冻土区高速铁路路基保温措施效果研究

为减小季节性冻土区路基冻胀对高速铁路无砟轨道平顺度的影响,采用路基保温措施进行室内模型试验,对不同厚度保温板覆盖下路基AB组填料在多个冻融循环过程中的温度及变形规律进行了试验与分析.室内模型试验结果显示,XPS保温板具有良好的保温隔热作用,厚度越大,保温效果越好,保温措施有效控制了哈齐线路基AB组填料的冻胀变形,同时也降低了其残余变形.根据室内试验结果,采用20cm厚保温板的保温措施在哈齐线路基试验段进行现场试验.试验结果表明,该保温措施有效控制了左右线轨道板下方区域的冻胀变形,保证了轨面平顺度.     

光纤布拉格光栅在季节冻土路基应变检测中的应用

介绍了现行光纤布拉格光栅（FBG）测试技术的应用领域、传感原理以及常用的封装方式,探索将FBG用于季节冻土路基这种隐蔽工程应变检测中的适应性。主要工作有：（1）基于FBG测试技术的植入梁方法,在传感器布设方面,根据不同测试对象提出了两种封装布设方式：浅置短距离半柔性探测杆和深置长距离半刚性探测杆两种封装布设方式;（2）针对现场测试需要,对电源、光纤传感器、数据采集及分析等整套现场测试系统进行了比较优选;（3）选择两处季节冻土路基作为埋设场地并开展为期1 a的观测。测试结果表明：FBG在-20～30 ℃的温差范围内保证了很高的存活率,所提出并实现的季节冻土路基应变测试系统具有较高的测试灵敏度和可靠性。该套测试系统为隐蔽工程的物理性质指标测试提供了新的技术手段。     

东北地区冬半年积雪与气温对冻土的影响

利用东北地区121个气象站逐日冻土深度、积雪深度、平均气温、地表平均气温及降水量数据,分析了1964—2017年冬半年冻土的变化特征及气象要素对冻土的影响.结果表明:东北地区积雪深度、平均气温、地表平均气温与冻土深度相关系数较高,降水量相关性不大.20世纪60年代平均气温、地表平均气温及负积温最低,最大冻土深度为历年代...