基于饱和冻土介质波动理论，探讨了在饱和冻土地基自由表面上，传播速度较快的SH1的反射及能量传输问题。该文建立了饱和冻土的自由场地分析模型，通过Helmholtz矢量分解和边界条件，推导出两种反射SH波的振幅比及能量率的理论表达式。研究了入射频率、温度（含冰量）、孔隙率、胶结参数及接触参数对两种反射弹性波振幅和能量分配比的影响规律。研究结果表明：随着频率增加，反射S1波的振幅比和能量率逐渐减小，反射S2波增加；当入射角为90°时，仅有反射S1波存在；在未冻土（T=-0.1℃）时，反射S2波消失，S1波振幅比随温度的升高而增大，当为低温高含冰量时，反射S2波振幅比最高。此外，胶结参数、孔隙率和接触参数的变化会显著影响两种反射弹性波的振幅和能量分配比。

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。

基于Leclaire对饱和双相孔隙弹性介质Biot模型的扩展,研究含有两种不同固相组分的三相多孔弹性介质中体波的传播特性。以饱和冻土为例,分析了各相体积分数、颗粒形状,接触参数等因素对波动方程中惯性参数、黏性参数、刚度参数的影响;对该三相介质模型进行了退化,分析了孔隙中只含液态水或固态冰时体波的特性;以饱和冻土为例,通过数值计算,探讨了饱和冻土中体波的相速度和衰减系数与胶结参数、接触参数、频率、饱和度、孔隙率等参数的关系。结果表明:与一般的饱和土不同,饱和冻土中存在5种体波,即3种纵波和2种横波;5种体波均具有弥散性和衰减性,且P1波、S1波弥散性和衰减性远小于P2、P3、S2波;胶结参数、饱和度、孔隙率对5种体波的传播特性影响显著,接触参数对传播特性影响较小。

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.

油管道运行过程会干扰土壤温度和水分的自然运移,为了使水热迁移对冻土状态施加的扰动更为形象化,对冻土力学变化进行数值分析。对水热迁移引起的冻土骨架、孔隙结构的小范围变化进行分析。根据模拟计算结果,水热迁移对冻土施加的作用直观表现为:在环境气温低的月份,冻土应力增大,应变减小;在环境气温高的月份,冻土应力减小,应变增大;这种趋势源于环境气温变化对管道与冻土交互换热幅度及冻土水热运移状态的改变。本质原因:随温度上升,孔隙内的胶质结构被破坏,孔隙结构被挤压变形,表现为孔隙度、孔径变小,水分运移加速,对冻土骨架产生应力、压力作用,同时降低骨架强度。

通过对饱和含水冻土区埋地管道周围冻土层的温度场、水分场和应变应力场进行数值模拟分析,得出管道穿越冻土区应力、应变不均匀分布和变化的一般规律。由于管道的散热作用,周围冻土层的结构、成分遭到破坏,土壤孔隙水减少,蓄热量低于融土,同时伴随水分的传热和传质作用而带走热量使土壤更加干燥。这些变化影响土壤变形及应力状态:管道上方土壤应变、应力变化剧烈;管道周围应变渐增,应力不断减小,易产生融沉;管道下方非融冻土应变小于上方融土、呈层状递减,土壤被加固,应力不断增大。

应用混合物连续介质理论,考虑了土颗粒骨架、冰、水三相介质,选取土颗粒位移、孔隙水位移、孔隙水压和孔隙冰压为基本变量,采用Bishop有效应力原理,建立了饱和冻土多孔介质的弹性波弥散方程。经理论推导,给出了饱和冻土中弹性波的传播速度及衰减的解析表达式。通过数值算例,探讨了饱和冻土中两种压缩波(Pl波和P2波)及剪切波(S波)的波速和衰减与频率和孔隙率、含冰量等土参数的关系。通过参数分析研究了饱和冻土中3种体波的传播特性。

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