冻土的渗透系数是估算土体冻胀的关键参数，往往是由土体冻结特征曲线估算得到，而土体冻结特征曲线的获取往往较为困难。本文提出一种可由土水特征曲线估算饱和冻土渗透系数的方法。本文以兰州粉壤土和砂壤土为研究对象，首先测量了其土水特征曲线；其次借助Clapeyron方程，将土水特征曲线转换为土体冻结特征曲线；最后利用四组饱和冻土的渗透系数模型得到预测结果，并与已有实测值进行了对比，验证了该方法的有效性。该研究结果建立了非饱和土未冻土与饱和冻土之间的关系，可为研究非饱和地区和冻土地区的建设提供理论依据。

冻土中未冻水与冰含量的确定是困扰寒区岩土工程研究的难题之一。通过对冻土的电导率进行测试,研究冻土电导率对含水率和温度的响应规律。试验结果表明,正温下电导率与温度的关系不能直接应用于负温条件,传统简单等效的方法会导致较大误差。基于冻土的导电理论建立冻土未冻水含量的电导率模型,实现了土体电导率模型在正温和负温区间的统一。分析孔隙电导率和表面电导率对总电导率的影响规律,论述了在冻结过程中可在误差允许范围内忽略孔隙电导率部分。并结合土体的冻结特征曲线数据,对简化的电导率模型进行试验验证,结果表明提出的模型与测试数据具有很好的吻合度,新模型简洁、有效。

粒子图像测速法(PIV)已经在流体力学和岩土工程中得到广泛应用,并取得了良好的试验结果。但是,由于黏性土缺乏表面纹理,PIV技术尚未在冻结黏性土颗粒迁移分析中得到成功应用。针对黏性土冻结过程中的土颗粒迁移问题,采用自制的PIV冻土模型试验箱,以非饱和粉质黏土作为试验土样,结合Canon EOS 1300D相机和GeoPIV软件,提出了PIV技术在非饱和冻土中的实现方法。结果表明:(1)试验过程中光线的变化会极大的影响试验结果,故需要在摄影棚中构建恒定光场;(2)为便于PIV分析,试验前需对冻土进行表面纹理构建,粒径0.3 mm石英砂是纹理构建的最佳示踪粒子;(3)非饱和粉质黏土在冻结过程中的冰水相变会导致图像灰度变化,根据统计结果,将种子区域灰度相关性及整体灰度相关性分别调整为0.85和0.69。

活动层水热状态直接影响多年冻土和寒区工程的稳定性。已有研究大多基于附面层理论研究冻土温度场变化,较少研究液态水和水汽运移过程及其对冻土温度场的影响。结合多年冻土活动层包气带水-热耦合迁移的物理过程和内在机制,以温度和含水率为基本变量,建立了考虑液态水和水汽相变、水分对流传热和水汽运移的土壤-地表-大气能量平衡及土壤内部水热变化的耦合模型,分析了真实野外气象条件下活动层液态水和水汽运移规律。计算结果表明:白天温度梯度水分向土壤内部运移,夜间温度梯度水分向土壤表层运移;暖季温度梯度水分以向土壤内部运移为主,冷季温度梯度水分以向地表运移为主;就全年而言,活动层各个深度处水汽运移作用大于15%,水势梯度水汽运移极小可以忽略不计,特别是浅层土壤在无降雨状态下,水分运移以温度梯度水汽运移为主;水势梯度液态水通量受降雨影响明显,在降雨事件期间和之后,液态水和水汽下渗占主导地位,降雨降低表层土壤温度、减小土壤热传导通量,有利于土壤热稳定性。

路基冻胀融沉是多年冻土区路基的主要病害。冻胀融沉病害与土体水分迁移以及温度变化密切相关,而冻土温度变化和水分迁移又会相互影响。基于非饱和土渗流和热传导理论,建立冻土水热耦合问题的联合求解微分方程;然后采用COMSOL Multi-physics软件进行二次开发,实现冻土温度场和水分场全耦合数值模拟;进而将数值模拟结果与土柱冻结和融化实验的结果进行对比,验证水热耦合数值模拟模型的有效性;最后以青海省玛多县地区路基为例,研究多年冻土路基中温度场与水分场的分布和变化规律。

为描述季节性冻土地区的积融雪及冻土水热过程,采用能量平衡及水量平衡法建立融雪模型,采用有限体积法离散热传导方程和非饱和土壤水运动方程,并对其交界面处进行耦合处理,从而建立季节冻土区融雪冻土耦合数学模型。结合2005年曲玛莱实测站点的观测资料,从不同角度描述积雪变化,冻土活动层内土壤水热特征,检验模型方法的有效性,为揭示该地区的水文运动规律提供有力的支持。