本研究依托于分布在全国季节冻土区600个气象台站，1971—2020年近50年实测季节冻土年最大冻结深度数据及温度观测数据，分别对600个台站的气温年变化趋势，气温冻结指数的年变化趋势等进行了探讨。并且在Stefan改进公式的基础上，进一步探讨了基于气温冻结指数的影响因子Ea与经度、纬度及海拔等因素在标准场地上的统计学关系，建立影响因子Ea与经纬度、海拔三者之间的相关关系式，将通过相关关系式计算得出的影响因子Ea与通过基于气温冻结指数的Stefan改进公式反推计算得到的影响因子Ea进行对比分析，验证相关关系的准确性。研究表明，因子在大多数点位拟合程度良好，但是一些位于多年冻土区边界处的点位，拟合差异较大。为解决这一问题，将研究区域重新划分为一般季节冻土区域及季节冻土区与多年冻土区边界处的过渡区域，分别进行相关性分析，再次建立影响因子Ea与经度、纬度、海拔之间的相关关系式。经过验证，点位拟合程度具有显著的提升。将相关关系式引入基于气温冻结指数的Stefan改进公式做进一步拓展，最终得到的经验公式将用于计算我国季节冻土区标准场地冻结深度。通常意义上由于Stefan公式中基于地表冻结指数的影...
冰楔假形和原生砂楔是指示古冻土发育的重要证据。两者虽然具有相似的外观形态,但形成过程不同,在反映古气候、古环境和古冻土演化等方面具有不同的指示意义。在利用地层中的楔形构造推测古环境时,确定其类型是正确解读其环境意义的前提。本文讨论了柴达木盆地发现的楔形构造,通过楔形围岩和充填物中的一些微结构判断其属于原生砂楔,进而探讨了这些砂楔代表的环境意义和多年冻土发育状况。柴达木盆地中的砂楔主要形成在末次冰消期的Heinrich 1(H1)和Younger Drays两次降温事件期间。这表明,末次冰消期,柴达木盆地地表几乎全部被风沙覆盖,处于极端干旱的沙漠环境,年平均气温较现在降低6℃左右,多年冻土下界较现在下降了约1000m。然而,多年冻土并没有占据整个盆地,在盆地中部和南部保留着大片融区,据此推测,即使末次冰期时期,柴达木盆地仍然保留一定面积的融区。末次冰期以来,青藏高原主体和祁连山两大现代多年冻土区并没有通过柴达木盆地连成一片。
为了研究融化和冻结状态下土及结构/土界面的剪切力学特性,采用直剪试验的方法,对不同温度条件下土以及不同温度、含水率条件下混凝土/土界面开展试验研究。基于试验结果,分析在上拔荷载作用下桩-土界面的破坏机理,并探讨不同规范中切向冻胀力取值问题。研究结果表明:融化状态下土及混凝土/土界面剪切应力曲线为应变硬化型,冻结状态下为应变软化型;无论是在融化还是冻结状态下,土的抗剪强度均比混凝土/土界面的抗剪强度大。融化状态下混凝土/土界面的黏聚力随含水率增大而增大,内摩擦角随含水率增大而减小;在冻结状态下,温度每降低1℃,黏聚力增大33.26～129.28 k Pa(含水率从15%增至35%),含水率每增加1%,黏聚力增大7.61～25.90 kPa(温度从-1℃降至-5℃)。
生物结皮是高寒地区地被层的重要组分之一。其作为地表特殊的结构层,能够改变地表结构及土壤理化属性,从而影响冻土环境。迄今为止,关于青藏高原高寒生态系统中生物结皮对土壤理化属性的影响尚不清楚。以青藏高原高寒冻土区生物结皮为研究对象,初步研究了生物结皮的特征及其对土壤理化属性的影响。结果表明:生物结皮在高寒草甸退化过程中广泛发育,主要以藻结皮为主,其盖度可达37.3%～51.7%,结皮层平均厚度为12.6mm。由于生物结皮的发育,高寒地区5～20cm土层粉粒含量有所增加,但差异不显著,而结皮层土壤田间持水量相比于裸地表层(2cm)增加了10%～40%,结皮层容重较裸地降低了30%;两种类型藻结皮均显著增加了结皮层及其下0～20cm土层土壤有机质,而深色藻结皮增加了结皮层及其下0～20cm土层土壤全氮含量,浅色藻结皮仅增加了结皮层土壤全氮含量,对其下0～20cm土层土壤全氮含量没有显著影响;生物结皮对土壤pH没有显著影响;生物结皮是高寒生态系统植被退化过程中的关键环节。研究结果为揭示生物结皮在高寒生态系统中发挥重要生态功能提供依据。
冻胀丘是土层中水分向冻结锋面大量迁移集聚,并且冻结膨胀使地面隆起呈丘状的一类冰缘地貌。冻胀丘的本质特征是存在纯冰核或高含冰地层,冻胀丘地表的隆起高度即代表了地下冰层的累计厚度,在工程建设中一般采用避让措施。在我国冻土区公路建设中,过去尚未遇到道路穿越冻胀丘的先例,正在建设中的青海省共和-玉树高速公路(简称共玉高速)在玛多县多格茸盆地横跨几个冻胀丘,对公路建成以后安全运营造成潜在威胁。以共玉高速建设里程K430+070处道路所跨的冻胀丘为例,基于地温监测数据和冻胀丘钻探资料,探讨公路建设对冻胀丘下覆冰层的影响及由此带来的路基稳定性问题。监测发现目前路基下多年冻土上限已经下降至冻胀丘高含冰地层位置,由于沥青路面的强吸热性,未来冻胀丘路段将发生持续沉降。如果多年冻土完全融化,该段路基有可能发展成热融湖塘。
冻土土壤水分运动由于受到冻融过程的影响而显示其独特性,而目前对于不同类型冻土土壤水分入渗特性尚缺乏足够的认识。为此,以黄河源区康穷小盆地多下坡年冻土和上坡季节冻土区为例,结合季节降雨变化,基于大气降水、冻土土壤水分、冻结层上水等野外监测数据分析,采用HYDRUS-1D软件冻融模块进行土壤水分入渗模拟,对比分析了融化期多年冻土和季节冻土土壤水分运移过程的差异性,研究结果表明:(1)在快速融化阶段,降雨以地表径流为主,表层土壤水分含量增加,土壤下渗有限,冻结层上水位上升幅度较小;在稳定融化阶段,土壤水分含量增加,土壤水分下渗增强,受冻土层阻隔影响,多年冻土区冻结层上水水位上升幅度较大,季节冻土区土壤水分则以深层渗漏或侧向流动为主。(2)受到降雨强度、土壤质地、蒸散发、植被覆盖等因素的影响,降雨损失主要以地表径流为主,下坡各层土壤水分随冻结土壤融化自上而下逐渐增加并达到饱和状态,但上坡表层土壤不易达到饱水状态。(3)区域河流贯穿融区地下水发育,导致上坡冻结层上水位小幅度上升,下坡冻结层上水位的变化除受到降雨入渗的影响外,还受到融区地下水的影响,引起下坡冻结层上水位的快速上升。研究结果有助于深...
在深季节冻土区,正冻土和桩相互作用时可能会导致桩基的拔断或整体冻拔破坏。在桩周土冻胀过程中,等截面直桩主要通过桩和未冻区融土间的摩阻力达到锚固效果。而对于端部直径大于桩身直径的扩底桩来说,当桩基有整体上拔的趋势时,扩大头会受到上覆土层的阻力而起到锚固/抗冻拔作用。通过回顾国内外研究文献,介绍了扩底抗拔桩现有的工程背景及应用情况,并对季节冻土区桩基的受力性能进行了总结和分析,主要内容包括:土体冻胀和桩基的相互作用研究,切向冻胀力试验研究和理论研究,切向冻胀力作用下扩底桩基冻胀反力试验研究及理论研究,切向冻胀力作用下未冻区桩-融土间摩阻力的研究概况等。最后,结合现有的研究内容,对季节冻土区扩底桩的应用及研究提出进一步的展望。
采用单向冻结的方法,针对季节冻土区扩底桩的抗冻拔能力,分别选取不同扩角(无扩角直桩、45°、60°、70°)和不同埋深(240、290、340 mm),以及不同扩底直径(74、98、114 mm)的扩底桩开展室内试验研究。根据试验及计算结果,3组试验的最终冻结深度分别为19.51、14.36、14.80 cm。不同扩角扩底桩的最终冻拔量基本相同,且仅为直桩的28.3%;扩底桩的最终冻拔量随着埋深的增大并非按照比例减小,但随扩底直径的增大基本按比例减小。桩的冻胀量变幅随冻结深度的增大呈先增大后减小的趋势,且与土体的冻结速率呈负相关关系。直桩的冻拔速率随冻结深度先增大后迅速减小,扩底桩的冻拔速率随冻结深度呈先增大后稳定减小的趋势。土体冻胀在桩的约束下呈漏斗形,扩底桩对桩侧土的约束冻胀明显强于直桩,间接说明了扩底桩的抗冻拔能力优于直桩。根据冻结过程中土的冻结速率和桩的冻拔量的变化规律,提出将桩的抗冻拔因子作为桩抗冻拔性能的评判标准,对不同影响因素下扩底桩的抗冻拔效果进行分析,结果表明:扩角对桩的抗冻拔能力影响较小,埋深和扩底直径的增大可提高桩的抗冻拔能力。综合比较,影响扩底桩抗冻拔性能最主要...
祁连山区位于青藏高原东北边缘,是亚洲水塔重要的组成部分,多年冻土的变化对生态系统和水资源平衡有着重要影响。基于青藏高原第二次综合科学考察、道路勘察钻孔点以及前人所获得的多年冻土下界资料,回归得出祁连山区多年冻土下界统计模型,借助ArcGIS平台在DEM数据的支持下,模拟出祁连山区多年冻土空间分布图。结果表明:祁连山区多年冻土分布的下界具有良好的地带性规律,表现为随经纬度增加而降低的规律;祁连山区多年冻土在空间分布上呈现出以哈拉湖为中心向四周扩散的分布格局;祁连山区总面积约为16.90×104km2,其中多年冻土面积约为8.03×104km2,占总面积约47.51%。多年冻土区与季节冻土区之间存在着有不连续多年冻土分布的过渡区,过渡区面积约1.43×104km2,占总面积约8.46%。
连续性分类系统的适用性与数据匮乏是过去青藏高原多年冻土制图的两个主要问题.文章基于高海拔多年冻土稳定性分类体系,在模型对比基础上,利用支持向量回归模型集合模拟了划分多年冻土稳定性的年平均地温,生产了空间分辨率为1km的青藏高原多年冻土稳定性分布图.制图中使用了青藏高原2005～2015年间共237个钻孔年平均地温（年变化深度处温度）观测数据,利用统计学习方法融合了地面观测与遥感冻结指数、融化指数、积雪日数、叶面积指数、土壤容重、高程和高质量的土壤水分再分析资料.该图显示,青藏高原多年冻土面积约115.02（105.47～129.59）×10～4km2,其中,极稳定型（-0.5℃）多年冻土面积分别为0.86×10～4、9.62×10～4、38.45×10～4、42.29×10～4和23.80×10～4km2,分别占青藏高原多年冻土的0.75%、8.36%、33.43%、36.77%和20.69%.以模拟的多年...