上海地区冻融暗绿色粉质粘土力学特性的试验与理论研究

为避免冻结法施工可能对上海软土地区隧道产生地质灾害,本文首次以上海复兴东路越江隧道江底旁通道冻结施工中的第6层粉质粘土冻融土样与原状(未冻土)土样为研究对象,运用SJ-1A三轴剪切仪进行室内三轴固结不排水剪切试验研究,获得在不同围压下原状与冻融后第6层粉质粘土的轴向应力、轴向应变和孔隙水压力等参数的关系,在此基础上,分别得到了冻融前后土体的有效内聚力与内摩擦角,并进行了微结构机理分析;同时结合扰动状态下概念理论,建立了冻融后粉质粘土扰动状态概念的本构模型,并利用有关试验结果检验提出的本构模型。研究表明,该本构模型能较好地描述冻融后粉质粘土的力学特性。     

多年冻土边坡的水热力耦合分析及软件开发

为了快速准确掌握多年冻土边坡的冻融反应规律,基于水热力耦合理论,依托MATLAB编制了能反应土体多场耦合机制的有限元程序,与经典试验对比吻合较好,验证了程序的可靠性。据此开发了一套可独立运行、操作简便的多年冻土边坡水热力耦合分析软件,介绍了软件的功能和开发过程。结合算例分析了冻融作用下冻土边坡的反应特性,结果表明:不同时刻边坡的温度、水分、应力和位移有明显差别,在坡面冻融交界面出现剪应力最大值条带,边坡水平位移在冻结完成时,沿坡面大小基本相同,融化期结束时为上小、下大,融化时边坡的水平位移、未冻水含量均比冻结时大,而剪应力最大值却小;暖季多年冻土稳定性较差,开发的软件对冻土边坡工程冻融计算有重要应用价值。     

冻结负温对海相淤泥质黏土变形特性影响的研究

冻融后土体的渗透性、压缩性和固结特性是影响其冻结法施工工后变形速率和变形量的重要因素。本论文采用上海第四系滨海-浅海相淤泥质黏土,在-5～-25℃冻结负温下制备融土试样,通过含水率、密度、渗透和固结等一系列试验系统地揭示了冻结负温对沿海软黏土变形特性的影响;且结合不同冻结负温下冻融前后土体含水率、密度的差异,对软黏土竖向渗透系数、压缩系数等影响机理进行了探讨。结果表明：在封闭系统中经历一次冻融循环后,融土含水率、密度减小,渗透性、压缩性增大。随着冻结负温的降低,冻融作用对含水率的影响减弱,而对密度的影响增强。冻融作用引起的土体内部水分重分布和自由水相变是造成土体结构改变的根本原因,其结果导致土体冻融前后渗透性和压缩性的差异。融土压缩系数与初始孔隙比符合指数关系,故可通过室内试验结合拟合公式为变形量预测提供参数取值依据。融土垂向固结系数随冻结负温的降低呈线性减小,因此在变形量计算时应对冻结范围内土体进行温度分区。以上试验结果有助于推进冻结负温对软黏土变形特性的定量研究,为沿海软土地区冻结法应用提供依据。     

云冈石窟砂岩特性与岩石风化试验

侏罗纪期间河相沉积而成的巨大砂岩透镜体是云冈石窟遗产载体,在目前环境条件下,石窟砂岩风化破坏非常严重。通过现场调查表明,在不同细分层位,砂岩破坏特征与其沉积环境及沉积构造密切相关。进一步对不同风化程度样品进行测试,以此建立起风化评估依据,结果表明,该砂岩化学风化主要体现在胶结物流失、长石蚀变,而次生可溶盐结晶及冻融形成的物理破坏也不应该忽视。通过风化模拟试验可知：酸的溶蚀对石窟岩体表面造成直接破坏;同时,形成的可溶盐将导致砂岩出现由内而外劣化现象;由于岩石的孔隙率低、渗透性较差且胶结密实,岩石抵抗冻融作用相对较强。建议云冈石窟目前保护措施以治水为主,通过减少崖壁表面渗水、洞窟裂隙渗水及底部泥岩泛潮来减少上述劣化作用效应。     

冻融季节苏打盐渍土的水盐变化规律

通过野外定位观测和室内分析,探讨了冻融季节的微域尺度(32 m长的横剖面)苏打盐渍土的水分和盐分的变化规律.结果表明:冻结期大量地下水迁移并储存在盐化草甸土的冻层中,同时地下水位埋深迅速从1.2 m下降到2.5 m以下;苏打盐化草甸土冻结层的含水率明显增加,其中30~40 cm土层的含水率变化最明显(从冻结前的20%增加到50%).苏打碱土冻层的含水率增量不明显,但盐分显著增加,其中白盖苏打碱土表层的盐分增量幅度达80%.盐分变化主要表现为苏打盐渍土表层HCO₃-、CO₃2-、SO₄2-以及Na+的增加,大量盐分表聚使消融期土壤的盐渍化程度不断加重.     

冻融作用对黑土和棕壤中Pb、Cd吸附/解吸特征的影响

冻融作用对土壤理化性质具有重要影响,进而影响了土壤中重金属迁移转化过程和环境效应。通过实验模拟研究了冻融作用对黑土和棕壤中Pb、Cd吸附/解吸特征的影响。结果表明：黑土对Pb和Cd的吸附能力大于棕壤;冻融作用降低了土壤对Pb和Cd的吸附能力,这与冻融作用改变了土壤的理化性质有关;随着Pb和Cd吸附量的增大,黑土和棕壤中Pb和Cd的解吸量和解吸率也相应增大;冻融作用促进了黑土和棕壤中Pb和Cd的解吸,并且在同一冻融条件下黑土的解吸能力小于棕壤;冻融作用使得黑土和棕壤对Pb和Cd的解吸量大于未冻融土壤,这与冻融作用使解吸溶液pH的下降幅度增大有关。冻融作用降低了土壤对Pb和Cd的固持能力,增加了土壤中Pb和Cd的生态风险。     

基于CLM模式的青藏高原土壤冻融过程陆面特征研究

使用位于青藏高原东部若尔盖站的观测数据驱动CLM3.5模式,设计一组去除模式中冻融过程的"退化试验",进行为期一年的模拟研究。通过对比原试验与敏感性试验模拟结果,初步分析冻融过程在土壤温度变化、各能量通量分配中的作用,得到以下结论：（1）冻融过程是土壤温度变化的"缓冲器",冻结过程向周围环境释放能量减缓了土壤降温的速率,使土壤温度不至降得太低,而消融过程从周围环境吸收能量减缓了土壤升温的速率,使土壤温度不至升高太多;（2）冻融过程改变了地表辐射通量,土壤冻结改变了地表反照率,改变了向上短波辐射,且由于冻结过程减缓了地表温度的下降,改变了地表向上长波辐射,进而改变了净辐射通量;（3）冻融过程显著地改变了陆面能量的分配,通过相变能量的释放和吸收增大了地气间能量的传输,显著地增大了地表土壤热通量,且通过改变地表温度和地表蒸发,改变了感热及潜热通量。在冻结过程及完全冻结阶段,感热及潜热通量均增大,但在消融过程阶段,感热及潜热通量均减小。冻融过程对土壤热通量及感热通量的影响在冻结过程及完全冻结阶段更为显著,而对潜热的影响则是在消融过程阶段更为显著。     

中国地质灾害成因分析

中国地质环境的特殊性决定了地质灾害的多样性、易发性及其区域变异性。地质灾害的发生不仅取决于地质环境演变,还与区域降雨渗流、冻融作用、地震损伤和人类活动等多种因素叠加作用密切相关。基于大数据思维,作者统计研究了中国年均降雨量、地质灾害数量、多年降雨距平、死亡失踪人数、直接经济损失等参数的相关关系。提出了重合度概念及其计算方法,计算了1998~2018年各年度降雨正距平分布区与地质灾害易发区的重合度,得出地质灾害危害程度与重合度正相关。例如,1998年年均降雨量距平10. 5%,重合度达60%,危害损失大;2010年年均降雨量距平7. 8%,重合度高达65%,危害损失巨大;2011年年均降雨量距平为-9. 8%,重合度只有10%,危害损失小;2018年年均降雨量距平5. 9%,但重合度仅15%,危害损失小。研究证明,中国地质灾害防治成效是显著的,灾情大小与年度降雨作用和地质灾害易发区的重合度正相关,“人努力,天帮忙”的说法是有一定道理的。     

北半球季节性冻融区与北半球夏季降水关系的研究

针对冻融过程引起的土壤湿度异常与北半球夏季降水的关系, 基于1981 - 2010年ERA5的月降水和土壤湿度资料, 采用奇异值分解（SVD）方法, 分析了北半球季节性冻融区春季土壤湿度和北半球夏季降水的年际变化特征以及它们之间的相关关系。结果表明： 北半球季节性冻融区春季土壤湿度年际变化的大值区与北半球夏季降水年际变化的显著区之间存在较好的对应关系; 季节性冻融区春季土壤湿度与夏季降水之间存在着指数函数变化关系, 在北美西部、 西亚以及东亚的大部分地区, 春季土壤湿度与夏季降水呈显著的正相关, 表明季节性冻融区春季土壤湿度的增加会引起该地区夏季降水的增加。     

冰缘地区岩质斜坡冻融侵蚀时空分异特征与产屑率研究

新疆天山地区是我国高海拔、高纬度、大温差典型代表冰缘山区,本文基于气象水文站及现场监测获取的大气温度和降水变化规律,建立了天山地区冻融侵蚀强度评价模型,结合野外三维激光扫描观测结果初步探讨了冻融侵蚀时空分异规律对岩体产屑率的影响。研究结果表明:(1)大气温度、岩体结构、降水量、坡度、地震烈度和坡向等因素对冻融侵蚀强度的贡献值依次减小。(2)天山地区冻融侵蚀下界海拔约为2600~2900 m,冻融侵蚀的空间分布具有明显的垂直分带性和纬度坡降性,时间上具有明显的季节变化特征,融化和冻结交替时大气温度在冻融侵蚀基准线0 ℃上下波动频繁,冻融侵蚀最为强烈。(3)溜砂坡形成过程被划分为岩体冻融侵蚀产屑、岩屑运移和堆积3个阶段;花岗岩(硬岩)、砂岩(中硬岩)和千枚岩(软岩)斜坡产屑率随冻融侵蚀评价指数增加而增加,随岩石冻融系数增加而减小,建立不同岩性斜坡产屑率与冻融侵蚀强度和岩石冻融系数的定量关系式。该成果可以为冰缘山区岩体冻融侵蚀理论研究、工程建设及防灾减灾提供参考。