为研究季节性冻土区扩底桩锚固特性,采用决定系数对水-热-力耦合模型的合理性进行评价,对比分析单向冻结条件下扩底桩和直桩的冻拔变形、切向冻胀力、锚固力和锚固因子.结果表明,模型计算得到的冻拔量及冻结深度规律与试验数据基本一致,验证了模型的正确性和可靠性.冻结过程中,扩大头所产生的最大锚固力较直桩相同部位所产生的最大摩阻力提升140%.为衡量扩底桩锚固性能,将扩大头的锚固力与切向冻胀力的比值定义为抗冻拔锚固因子,扩底桩锚固因子随冻结深度的变化规律近似于指数分布,直桩锚固因子呈线性变化.

季节冻融作用诱发滑坡的机制一直缺少定量化的研究结果，这源于缺少相应的理论模型。为了重构滑坡的变形过程并分析其变形机制，首次基于热力学理论，建立了季节冻土水分、温度和变形相互耦合的数值模型，阐述了水分变化对变形的作用机制。该模型的优点是能够体现冻土边坡中冻融作用引发的水分迁移过程和水分不均匀分布状况，并从水分对土体强度影响的角度来分析边坡稳定性。以2020年8月11日甘肃陇南市白冯村发生的大型滑坡为例，利用该数值模型计算了该滑坡处置前后边坡的水热和变形过程，并对其变形机制和稳定性进行了分析。结果表明，冷季水分向冻结锋面迁移并冻结成冰，暖季活动层内冻土融化导致液态水含量增加，从而使冰透镜体所在位置变成了潜在滑移面。在外部荷载(暴雨等)作用下，滑体会沿着该滑移面产生滑动，这便是季节冻土区边坡中的水分迁移过程及其对滑体滑动的作用机制。此外，案例分析表明，滑坡处理前边坡最大垂直变形和最大水平变形分别为72.41 cm和68.57 cm。设置抗滑桩后，边坡达到稳定状态时的最大垂直变形和最大水平变形分别为2.60 cm和2.72 cm,稳定性显著提升。而且，滞水层高度的提升导致边坡垂直和水平变形0-...

冰川模型已广泛应用于预测未来的冰川变化。随着冰川地貌制图、测年和古气候研究的不断发展，冰川模型也逐渐用于模拟古冰川变化、估算古冰川发育时期的气候信息和探讨古冰川演化的气候驱动因素。本文综述用于古冰川模拟的两类模型：地貌-冰面剖面形态模型和物质平衡-冰川动力耦合模型，介绍不同冰川模型的原理、用于古冰川模拟的流程和利用地貌体进行模型参数校验的方法。在此基础上，以青藏高原及其周边山地为例，总结利用冰川模型恢复古冰川的范围、体积、平衡线等参数，估算不同冰川发育时期的温度和降水，以及评估测年数据及其恢复的古冰川期次和规模的案例研究。最后指出了利用冰川模型进行古冰川模拟研究存在的问题和未来发展趋势，为进一步加强和改进冰川模型在古冰川模拟研究中的应用，恢复古冰川的规模、演化过程及其气候驱动机制奠定基础。

为解决河套灌区渠道混凝土衬砌冻胀破坏问题,该研究提出由聚氨酯和聚苯乙烯2种材料组成的复合衬砌结构,建立渠道基土水热力耦合数值模型,通过现场试验和数值模拟方法分析不同衬砌结构下基土地温、含水率、冻胀量及等效应力变化。结果表明:与无保温衬砌结构相比,阴坡聚苯乙烯复合衬砌结构和聚氨酯复合衬砌结构下基土最低地温分别提高67.1%和64.7%,最大迁移含水率分别减少8%和9%,最大冻胀量分别减少80%和81%,基土内等效应力明显减小。这2种复合衬砌结构具有保温效果好、冻胀变形小等优点,可作为寒区渠道保温防冻胀衬砌结构的选择。同时数值模型计算结果与试验值基本吻合,说明此数值模型可合理地描述渠道基土冻结过程中地温和冻胀量变化。研究可为寒区渠道防冻胀衬砌结构设计提供理论依据和参考。

【目的】阐明新疆干旱区冻融土壤的水热耦合关系,建立在冻结融化过程中土壤水热耦合模型。【方法】以土壤水动力学、冻土物理学和统计学为理论基础,利用土壤水分与温度测量系统对不同土层深度土壤的温度和湿度进行测量,比较土壤含水率和温度随时间与深度的变化情况,研究了新疆典型干旱区细土平原区与沙漠交错带的冻融土壤水热迁移规律,分析不同土层深度土壤在冻结期、融化期的水热变化特征。【结果】土壤冻结融化过程中,各层土壤的液态含水率、温度均与环境温度的变化趋势基本一致,但随着土层深度增加,土壤温度和含水率的变化趋势均在逐渐减弱;深层土壤的液态含水率在冻结融化过程中基本不随环境温度升降发生变化,浅层5、20 cm土层的温度和含水率之间具有耦合效应。【结论】季节性冻土的水分和温度之间具有耦合效应。

在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。

青藏高原地区冻土正呈退化趋势,除气候变化、人为活动的影响外,沙漠化也被认为是冻土退化的原因之一,但仍存在较大争议。基于不饱和土渗流和热传导理论,结合CoLM和CoupModel模型,初步构建了积沙-冻土-水热概念模型和耦合模型。并在两模型的基础上,讨论了沙层反射率、积沙体热容量、积沙体厚度和沙的传热率等参数对下伏冻土的热影响过程。结果表明,沙层的反射率、地面发射率均高于天然地表,沙层接受的热量较天然地表偏少;积沙地表下的沙层和活动层能截留更多热量,使冻结层获得的热量相对减少;沙的导热性较差,导致积沙地表下地温变化出现延迟,从而延缓冻土退化;同时,积沙无论厚薄,都将起到延缓冻土退化的作用。因而,沙漠化对青藏高原冻土退化的影响可能较小,但全面揭示沙漠化对冻土的影响仍需深入研究。

开展冻土水热力三场耦合研究对解决寒区工程问题具有重要的理论指导意义。归纳了冻土水热力耦合的理论基础,认为目前的水分迁移驱动力假说仍然不能很好地解释水分迁移现象,分凝冰的形成机制及判据仍需进行深入的研究。分类和评价了常见的正冻土水热力耦合模型,发现流体动力学模型虽然能够很好地描述水热迁移现象,但未考虑非连续冰透镜体;而较复杂的刚冰模型虽然考虑了冻结缘内水热迁移耦合现象,但是参数众多;热力学模型从微观角度描述了冻土水热力并考虑孔隙吸力,但仍存在参数众多的问题。同时,对预融膜理论在冻土水热力耦合问题中的应用进行了分析和展望,认为可以借助预融膜理论对冻土水热力耦合中的能量、水分迁移驱动力以及迁移速率等进行描述。最后,基于冻土水热力三场耦合研究现状及存在的问题,提出了冻土水热力耦合研究的总体构想:研究与实际情况相符同时适用于稳态及非稳态的通用数学表达式,开展冻土物理学各个参数的动态变化研究,纳入非饱和土体在冻融过程中的水热力相互作用研究,实现水热力在真正意义上的耦合,同时,加强预融膜理论在大尺度、陆面过程以及水热边界等方面的应用研究。

冻土作为气候系统的一部分,是气候变化的重要指示因子。冻土的冻融过程,对地-气间的能量-水分传输、植被的生长状况和碳循环等具有重要的影响。采用数值模拟方法,分析了冻土冻融过程中伴随的热量传输,直观地呈现了能量和渗水在土壤中的传输过程。通过冻土热传导模型和流体流动模型耦合,采用有限元素法Comsol Multiphysics多物理场耦合软件系统,实现了速度与温度协同响应及对冻土冻融过程影响的模拟。模拟结果直观反映了在理想条件下,冻土冻融过程中温度场与速度场的变化:一方面,在土壤冻融过程中,温度场和速度场是相互作用的,并且其变化对土壤冻融过程起着至关重要的作用;另一方面,比较冻土的冻结过程与融化过程,冻结过程更难于发生且需要更加苛刻的条件。为此,可以间接地认为,永久冻土一旦退化便很难恢复,并且也将进一步加速环境的改变,从而形成恶性循环。

针对地下水流过程及其与地表水转化关系研究中,冻土分布特征及融冻过程对地下水系统的影响机制相关研究较少的问题,通过分析国内外冻土区地下水对河道径流的贡献、地下水流动路径和地下水-热耦合模型的相关文献,对地下水流过程及其与地表水转化研究进行综述,认为:①受土壤中冻土空间异质性的影响,不同冻土区地下水对径流的贡献比例不一致;②利用水化学和同位素示踪剂研究地下水流动路径,有助于冻土区地下水流动系统概念模型的构建,但只能获得定性或半定量的结果;③地下多相流系统的水-热耦合模型可将冻土的变化与其相应的水文响应过程耦合在一起,实现了地下水流过程及其与地表水转化关系的定量刻画,但在实用性方面仍需进一步完善,是未来的主要研究方向。