冻土的有效孔隙度直接影响了土体的渗透性,寒区占我国国土面积比例较大,由于寒区特殊的低温环境,使得在寒区开展非饱和冻土有效孔隙度研究的过程中,比较倚重于试验基础。本文主要对有关冻土的水理性质进行研究,尤其是有关非饱和冻土有效孔隙度测定试验的研究进展进行整理。分析得出非饱和冻土有效孔隙度测定试验的试验装置有待改进,试验条件有待完善。

以东北季节性冻土区为参考区,探究非饱和冻土在不同条件下对孔隙度的影响。首先在-5、-10、-15、-20℃时测定出10%含水率下非饱和冻土的孔隙度,探究不同温度对孔隙度的影响;然后在-10℃时分别测定出5%、10%、15%、20%含水率下非饱和冻土的孔隙度,探究不同含水率对孔隙度的影响。得出不同温度下冻土孔隙度基本不发生变化,但是随着含水率的增大冻土孔隙度逐渐减小的规律。

寒区土壤水文循环过程因冻土层的存在而复杂,冻土层中冰的存在使其水理性质变化引发许多特殊水文现象,在冻土水理性质研究过程中冻土渗透性研究是其中的关键问题之一。为了研究非饱和冻土含冰率和干密度对于非闭合孔隙度及其渗透性的影响,选取不同含冰率（2%、4%、6%、8%、10%、12%、14%、16%、18%、20%）、试样干密度（1.4×10～3kg/m3、1.5×10～3kg/m3、1.6×10～3kg/m3）作为单因素变量,采用定水位达西试验方法分别进行冻土渗透系数测定试验,开展了非饱和冻土渗透系数测定试验研究。结果表明:非饱和冻土渗透系数及非闭合孔隙度随试样含冰率的增加而变小,随试样干密度增加而变小,变化范围为0.19-0.714及8.55-19.18 m/d。当含冰率为20%、试样干密度为1.6×10～3kg/m3时得到最小非饱和冻土渗透系数为8.55 m/d,最小非闭合孔隙度为0.19。

在低含水率非饱和土模型的基础上,从冻土物理特性出发,只考虑毛细吸力和附加压力的作用,建立了非饱和高温冻土细观结构模型,并结合相关实验数据资料改进了高温冻土未冻水含量的经验关系式,基此推导出孔隙水压力、有效应力以及抗剪强度随温度、含水量的变化关系.同时,通过理论计算与实验(实测)结果进行对比分析,发现本模型能够很好地反映非饱和高温冻土的相关物理力学特性,尤其在定性上能够与宏观实测结果相吻合.最后,基于非饱和高温冻土微观模型,对非饱和高温冻土的有效应力、抗剪强度进行了讨论分析,给出了合理的理论解释,并对高温冻土相关物理力学特性做出了定性的理论预测.

冻土的强度是由土颗粒与冰的结合强度所决定 ,冰含量 (或初始含水量 )和干容重是非饱和冻土强度的主要影响因素 .干容重越大 ,土骨架能够承受荷载的有效面积越大 ,冻土的强度也越大 .同样干容重下的非饱和冻土 ,冰含量越多 ,冰与土颗粒的结合面积越大 ,承受的荷载能力增强 ,冻土的强度越大 .为此 ,提出冰饱和度的概念 ,建立了非饱和冻土强度与饱和冻土强度关系 ,它涵盖了干容重和冰含量的影响作用 ,揭示了非饱和冻土强度的机理 .通过试验验证 ,该关系式与试验结果具良好吻合