中蒙俄经济走廊东段位于欧亚大陆多年冻土区东南缘及森林线南界接近区,冻土及生态环境脆弱。本文基于MERRA-Land陆面模式离线运行产品分析了中蒙俄经济走廊东段2000—2015年间冻土冻融的时空变化模式,以及冻土变化对返青期和全年不同阶段植被生长状态的影响。研究表明:2000—2015年间研究区多年冻土及季节冻土均持续退化,时间上主要表现为冻土提前解冻、延迟冻结;空间上主要表现为多年冻土南界的多年冻土退化和季节冻土下限抬升,及连续多年冻土南界的活动层加厚。解冻始日是森林地区植被返青的主控要素,林下冻土解冻对土壤含水量的增加及沼泽湿地的隔热蓄水功能影响了森林地区植被的生长。但随着多年冻土南界森林及林下泥炭地演替为草甸和农田,多年冻土退化,进一步促进林下沼泽湿地的消失。探讨冻土退化与生态环境之间的协同关系,有助于识别气候变暖和人类活动叠加影响下的冻土退化脆弱区以及生态环境敏感区。

针对季节冻土区路基填土春融时常处于强度不稳定的状态,根据季节冻土特性选取冻结温度、融化温度、围压、含水率4种影响因素,对张家口季节冻土区粉质黏土进行了模拟正融土的常规三轴试验,采用灰色关联分析法对试验结果进行分析,给出了4种影响因素对强度的敏感性排序。结果表明:含水率、融化温度、冻结温度的敏感性超过60%,需要重点考虑。9%含水率时,土样强度较高,发生脆性破坏,随着含水率的增大,向延性破坏转变;融化温度主要影响土体剪切过程中融化速度和排水固结的速度,温度越低,土样强度越高;冻结温度通过改变土颗粒和冰晶体的胶结程度来影响强度,冻结温度越低,胶结作用越强,但低于-10℃后,强度增长缓慢;围压越大,土体强度越大,不同围压影响下,应力-应变曲线的形状和走势却大致相同,分析结果可为季节冻土区实际工程提供一定的参考。

为确定多年冻土边坡稳定性影响因素的敏感程度,考虑冻融循环对边坡土体的损伤作用和边坡局部冻融的特殊性,在影响边坡稳定性基本因素的基础上,引入季节活动层冻融深度和冻融损伤系数,提出基于有限元的温度场-应力场(热-力)耦合多年冻土边坡稳定性分析方法,从而得到边坡的稳定性系数,并将稳定性系数作为系统特征量,利用正交试验对各影响因素进行交互设计,运用改进的灰色关联分析模型进行关联度分析。结果表明:土体黏聚力对多年冻土边坡稳定敏感程度最大;冻融损伤系数、季节活动层冻融深度、内摩擦角、坡度和密度,说明环境因素对多年冻土边坡的影响不容忽略。在该地区冻土边坡防护治理中,通过有效措施减少极端气候条件的影响,是极为重要的。

根据灰色系统理论,在分析冻土的冻胀系数和融沉系数的基础上,建立了灰色关联模型,通过对一具体实例进行分析评价,得到各种影响冻胀性和融沉性因素的权重,从而为较好地判定各种冻害现象提供了参考依据。

用灰色关联分析法分析了冻土爆破性影响因素之间的密切关系，评价了几种冻土的爆破性。变形能系数与抗拉强度关系密切，其次为纵波速度和爆破漏斗体积。试验测出冻结砂土、冻结粘土在－７℃、－１２℃、－１７℃温度条件下爆破性的影响因素，综合评价表明－１７℃的冻结粘土最难爆破。