冰力学性质的研究在冻土工程、冰工程中都占据极其重要的地位，冰中未冻水含量的变化会导致冰整体性质随之改变。目前，在微观分子尺度上针对冰中未冻水含量控制因素方面的研究尚不充分。本研究通过分子动力学方法模拟了5种温度、3种应变速率、4种晶粒尺寸、3种升温速率下单晶冰与多晶冰的单轴拉伸与压缩试验，研究了不同影响因素下冰晶体力学性质及内部的微观结构变化，揭示了分子尺度上未冻水在冰晶体变形过程中的产生过程与变化规律，以及未冻水比例对冰晶体力学性质影响的内在机理。模拟结果显示，单晶冰力学性质与未冻水比例间的关系不显著，与冰晶体六元环结构的破损程度直接相关。此外，力学性质受温度、应变量、应变速率等多因素影响，且在拉伸和压缩过程中单晶冰均表现出明显脆性破坏，其强度随温度降低和应变速率加快而增强。相比之下，多晶冰力学性质与未冻水比例变化密切相关，且未冻水比例主要受温度、晶粒大小及其界面状态控制。而且，多晶冰对温度和应变速率更敏感，说明晶界处的结构变化对其力学性能起重要作用。与弹性变形不同，晶界滑移、晶粒旋转、非晶化和再结晶等过程主导多晶冰的塑性变形。

土冻结过程中的水分迁移积聚与冰分凝关系密切，但两者之间的耦合关系至今仍不清晰。借助孔隙水压力测试以及多层核磁测试技术，通过系列土冻结试验，研究了水分积聚与冰分凝之间的动态耦合关系。试验结果发现粉质黏土和本文试验用兰州黄土在冻结过程中均在冻结锋面附近存在明显的水分积聚现象，但水分积聚模式存在明显差异。本文试验用兰州黄土在封闭系统条件下发生冻结时，未观察到分凝冰生成，孔隙水压力以上升为主，在冻结初期冻结锋面附近观察到明显的液态水积聚现象；而在粉质黏土的冻结过程中，可观察到冰分凝产生，孔隙水压力以下降为主，在冻结锋面附近未观察到液态水积聚现象。分析上述现象认为，在土体冻结过程中冻结锋面附近的水分积聚存在两种模式：1）压排式积聚：由于无分凝冰形成（孔隙冰的形成），冻结区（近饱和或饱和的情况下）与未冻区的水分在水压力梯度的驱使下向冻结锋面处迁移；2）冷吸式积聚：由于分凝冰的形成，未冻区的水分在吸力的驱使下向冻结锋面处迁移。值得注意的是，这两种土体冻结过程中的水分积聚模式及其影响权重与分凝冰的形成与否有着密切关系：无冰分凝的情况下，只可能在冻结初期存在压排式水分积聚；而当存在冰分凝时，在冻结初期几...

通过差式扫描量热法(differential scanning calorimetry,DSC)试验,研究不同初始含水率下黏土在冻融过程中未冻水含量与温度的关系,将融化和冻结过程中冻土未冻水含量的特征点作为参数,建立黏土未冻水含量与温度关系半经验模型,并分析初始含水率对参数的影响。结果表明:模型计算值与试验值吻合较好;初始含水率对黏土冻结时的过冷温度影响较小;完全融化温度随初始含水率增大略有上升;不同初始含水率的相同土质的未冻水含量在同一温度点的变化较小。

为研究冻结过程中土、水和冰三者之间的相互关系,建立了基于冻土骨架的导热系数计算模型.骨架模型由土骨架和冰骨架,以及土、水、冰三相之间的相互关系构成.当温度降低至起始冻结温度时,远离土颗粒的孔隙水最先冻结成冰核;随温度降低,冰核逐渐扩张形成贯通的孔隙冰骨架,冻土中的未冻水则存在于土骨架与冰骨架之间.根据球缺接触的土骨架理想化模型,提出了土骨架与冰骨架相互独立,土骨架与未冻水、冰骨架与未冻水相结合的混合传热模式,建立了饱和冻土的复合传热模型及冻土的导热系数模型,计算得到0℃以下冻土的导热系数理论值.分别将导热系数理论值与Johansen法计算值、混合流法计算值和瞬态法的测试结果进行对比,结果表明,复合传热法的计算值处于Johansen法和混合流法的计算值之间,其整体计算精度优于Johansen法,且计算值与实测值相对误差在10%以内.

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。采用基于有限体积法的开源软件Open FOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。

针对冻土热参数、土水势在不同温度条件下的变化趋势缺乏统一表述的问题,提出了冻土冻结势概念。为通过不同温度下的热参数和土水势变化率得到冻结势的表达式,首先,基于Johansen法反演不同温度下的冻土未冻水含量,根据未冻水含量计算出冻土热参数理论值,得出热参数在不同温度下的变化率;其次,通过土水特征曲线研究了冻土土水势随未冻水含量的变化关系,得出了冻土土水势在不同温度下的变化率;最后,根据以上计算结果拟合出了冻结势函数。研究结果表明:热参数及土水势在不同温度下产生不均匀变化的根本原因是未冻水含量的不均匀变化;随着土体温度的降低,未冻水含量、土水势、热参数先发生剧烈变化,随后变化趋势减缓并趋于某一数值;在温度为0～-5℃时,冻土冻结势急速发展,当温度低于-5℃时冻结势发展趋缓,由此得出0～-5℃是重塑冻土热参数和土水势性质的剧变区间。在此基础上,依据冻结势函数拟合出一种考虑温度变化的导热系数计算方法,该计算方法能较好地预测不同温度下冻土的导热系数。

为认知冻土导热系数测试和计算方法的研究现状,从而服务于冻土温度场的计算,介绍了冻土导热系数的研究背景和导热系数对冻土温度场的贡献,并对冻土的组成和导热系数随不同负温变化的原因进行了分析。阐述了目前冻土导热系数的测试技术、计算方法、理论计算模型及土中固相矿物导热系数的确定方法,并分析了其优缺点和误差存在的原因。对冻土导热系数随温度、干密度、含水率等因素变化的研究成果进行了整理,分析了基于测温法确定冻土导热系数存在的误差及其原因,并初步提出了一种修正冻土导热系数测试结果的方法。在此基础上,提出了对冻土导热系数测试和计算的建议和展望。结果表明:温控环境和测试过程中的相变热对导热系数实测值均存在影响,从未冻水含量的角度修正相变潜热对导热系数测试过程的影响具有理论可行性;线性回归预估模型应考虑土质对测试值的初始影响,从相间热量平衡的角度建立导热系数的理论模型,对于温度场解析问题的研究具有重要作用;考虑土颗粒的多孔特性,推演不随密度变化的土中固相物质导热系数的确定方法,对于提升冻土导热系数计算模型的预测精度具有基础作用;从微观角度出发,建立能够反映土体冻结速率的导热系数模型应是冻土导热系数研究区别...

在我国地面气象观测中,冻土的自动观测一直未能实现,为了解决这一问题,本文基于频域反射(Frequency Domain Reflectometry,FDR)测量原理,通过测量土壤介电常数变化实现冻土测量的方法,设计了一种基于平面电容传感器分层检测冻土的传感器,土壤冻结时,其内部水分会相变为冰,水的介电常数远大于冰,利用水冻结相变后引起介电常数急剧变化的特性,建立了基于土壤介电常数、地温反演冻土的数学模型,并进行了典型土壤实验室冻结试验及外场对比观测试验,结果表明:冻土传感器能正确分辨土壤冻结状态,测量数据与人工观测趋势一致,相关系数可达0.99以上,平均测量误差小于3cm,基于介电特性的冻土传感器可以准确连续测量土壤的冻结深度及其生消变化。

为揭示土体冻结过程中导热系数的变化规律,建立基于均质球形颗粒的聚合几何模型。该模型由若干半径相等的球形土颗粒在正交方向上堆积而成,且土颗粒之外的区域全部被液态水填充。依据孔隙水首先在远离土颗粒的区域开始冻结的客观规律,建立冻结核在球形颗粒之间的几何中心产生并呈同心球向外扩展的聚合模型。基于土颗粒、水、冰的三相组成,从饱和冻土的组成和球形颗粒之间的接触等微观角度出发,建立导热系数的混合流计算方法。依据建立的几何模型和未冻水含量测试结果,结合给出的导热系数混合流计算方法,能够确定冻土在不同负温阶段的导热系数。另外,给出修正的正交热传导几何模型以计算不同干密度冻土的导热系数,并将混合流计算方法得出的预测值分别与Johansen法、Wiener法的预测值和探针法的实测值进行比较。研究结果表明:提出的混合流计算方法能够高精度地预测高温冻结阶段砂土的导热系数;聚合几何模型解答了干密度较大的土体冻实后的导热系数不一定较大的现象,具象地揭示出冻土导热系数随不同负温变化的原因是土中冰体含量的动态变化;依据冻结核产生位置建立的混合流导热系数计算方法,赋予了Wiener法在冻土导热系数预测中的具体物理意义;...

考虑未冻水含量随不同负温变化的事实,结合混合量热法中相变潜热对冻土比热测试值的影响,建立了基于比热的冻土未冻水含量反演算法。依据比热具有按各成分质量可进行加权叠加的性质,将相变阶段某一温度点的冻土比热视为冻土骨架、液态水和固体冰三相的比热加权之和,同时还考虑了该温度点未冻水变化率所需潜热的影响,在此基础上导出了根据冻土比热反演其未冻水含量的方法。将冻土相变阶段一定温度下的比热视为冻土骨架、液态水和固体冰比热的加权总和。采用混合量热试验测量了某冻土试样的未冻水含量,并利用本文给出的反演算法计算了相应的未冻水含量。两种测试结果的未冻水含量变化趋势相同,即未冻水含量随着温度的降低逐渐减少,且递减趋势逐渐减弱;与混合量热试验方法相比,本文给出的算法得出的未冻水含量略高,这主要是因为新算法考虑了相变潜热的影响,因而理论上更为合理。