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渗流作用下粗粒土冻结壁交圈规律及预测模型探索
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作者 刘爽 李晓康 +3 位作者 李旭 聂雯 林旸 盛志刚 《冰川冻土》 CSCD 2024年第1期247-259,共13页
由于渗流作用下的冻结壁发育规律不明等原因,部分冻结法施工工程依靠人工经验,缺乏科学的预测模型,与精准化设计和控制还有很长的距离。为探索渗流作用下冻结法施工中粗粒土层冻结壁的演化规律,本文首先建立冻结法施工数值模型,并通过... 由于渗流作用下的冻结壁发育规律不明等原因,部分冻结法施工工程依靠人工经验,缺乏科学的预测模型,与精准化设计和控制还有很长的距离。为探索渗流作用下冻结法施工中粗粒土层冻结壁的演化规律,本文首先建立冻结法施工数值模型,并通过室内模型试验反演验证所建立模型的有效性和适用性。之后,考虑渗流速度、冻结管间距、环境温度、含水率和导热系数等五个因素,开展冻结壁形成正交数值试验,确定冻结壁交圈时间和厚度的主控因素。最后,通过数值模拟研究主控因素作用下冻结壁的发育和演化规律。基于结果建立临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间的预测模型,给出冻结法施工参数的选择方案。结果表明,建立的冻土水热相变耦合模型可有效模拟渗流条件下土体冻结过程,能够满足冻结壁发育过程计算分析的需要。基于正交数值试验结果发现,渗流速度对冻结壁厚度和交圈时间的贡献百分比分别为78%和52%,是影响冻结壁能否交圈和最终厚度的主控因素。当渗流速度超过一定阈值时,冻结壁无法交圈。本文将这一阈值定义为冻结法施工中的临界流速。当冻结壁能够交圈,其最终形成的冻结壁厚度也主要由渗流速度决定,二者呈负指数函数关系。冻结管间距对冻结壁最终厚度影响不大,但是对冻结壁交圈时间影响较大,它们之间存在负指数函数关系。本文给出了0~6 m·d^(-1)条件下的临界流速、冻结壁厚度、冻结壁交圈时间计算模型,它们可为粗粒土地层的冻结法施工参数选择和施工工艺设计提供理论指导。 展开更多
关键词 人工冻结 粗粒土 温度场 数值模拟 水热耦合
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基于细观结构演化的冻结砂岩热融软化规律研究
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作者 贾海梁 王振阳 +2 位作者 赵涛 孙强 唐丽云 《冰川冻土》 CSCD 2024年第2期578-591,共14页
冻结岩石热融过程中强度会出现软化,是最易发生破坏的阶段。研究冻结岩石的热融软化规律对冻结地层解冻过程中的稳定性和安全性评价至关重要。本文开展了不同融化温度下冻结岩石的单轴压缩试验,在还原岩石孔隙结构及对细观参数进行精确... 冻结岩石热融过程中强度会出现软化,是最易发生破坏的阶段。研究冻结岩石的热融软化规律对冻结地层解冻过程中的稳定性和安全性评价至关重要。本文开展了不同融化温度下冻结岩石的单轴压缩试验,在还原岩石孔隙结构及对细观参数进行精确标定的基础上,利用颗粒流软件(PFC^(2D))模拟了冻结岩石的压缩破坏过程。基于微裂纹起裂规律和微裂纹扩展规律分析,探讨了孔隙冰对冻结砂岩热融软化规律的控制作用。研究结果表明:(1)冻结岩石的强度、弹性模量等参数均随着温度的升高呈两阶段变化趋势,在-4℃至-2℃之间存在某一温度,使得试样的强度及变形参数发生骤降。(2)当温度低于-15℃时,微裂纹的起裂扩展主要由矿物颗粒之间的接触强度控制;当温度在-2℃和-15℃之间时,主要由冰颗粒之间和冰-矿物之间的接触强度控制;而当温度大于-2℃时,则主要由冰颗粒之间的接触强度控制。(3)通过分析孔隙冰在冻结岩石受荷破坏过程中所起的“支撑作用”和“黏结作用”,发现在-6℃至-4℃之间,冰颗粒之间黏结强度和冰-矿物黏结强度均迅速衰减,导致冰的支撑和黏结作用弱化,是该温度区间力学性质快速弱化的本质原因。 展开更多
关键词 冻结岩石 热融软化 细观结构 微裂纹扩展 PFC2D
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冰充填裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响研究
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作者 赵涛 冯云枫 +2 位作者 贾海梁 唐丽云 李国玉 《冰川冻土》 CSCD 2024年第4期1246-1258,共13页
冻结岩体的力学性质是决定冻结地层工程施工与运营安全的核心因素,而冻结岩体的力学性质由裂隙结构和冻结温度等条件决定。本文在常温和冻结条件下开展了含预制裂隙砂岩的力学实验,通过高速摄影技术对试样表面的裂纹起裂和扩展过程进行... 冻结岩体的力学性质是决定冻结地层工程施工与运营安全的核心因素,而冻结岩体的力学性质由裂隙结构和冻结温度等条件决定。本文在常温和冻结条件下开展了含预制裂隙砂岩的力学实验,通过高速摄影技术对试样表面的裂纹起裂和扩展过程进行了监测,基于实验结果着重讨论了冰充填裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响机制。结果表明:(1)冻结没有改变试样强度随裂隙倾角的变化趋势,随裂隙倾角的增大,试样的强度均呈先减后增的趋势。强度最小值出现在裂隙倾角α=60°时,最大值出现在α=90°时;(2)在冻结状态下,试样的起裂模式随裂隙倾角的增加整体呈现“拉伸起裂→剪切起裂→拉伸起裂”的变化趋势,此外,相同裂隙倾角的试样在冻结状态下起裂的应力水平均高于在常温状态下;(3)冻结裂隙砂岩的力学性质受冻结作用和裂隙倾角双重控制。并进一步分析了冰填充裂隙对冻结岩体压缩破坏特征的影响,认为冰均起到了支撑、填充和黏结作用。在裂隙倾角较小时(0°~30°),裂隙冰的法向压力较高,强化效应主要来源于冰的支撑作用;当裂隙倾角较大(45°~75°)时,裂隙冰上的法向压力较低,强化效应主要来源于冰-岩界面黏结作用;裂隙倾角(近90°)与加载方向平行时,裂隙冰的法向应力变为拉应力,强化效应主要来源于冰-岩界面黏结作用。 展开更多
关键词 冻结岩体 夹冰裂隙 起裂与扩展 冰-岩界面 冻结强化
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基于CiteSpace知识图谱的冻土路基研究现状与趋势分析
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作者 何菲 雷婉玉 +3 位作者 岳亚强 毛尔清 刘清泉 王旭 《冰川冻土》 CSCD 2024年第3期891-908,共18页
冻土路基的稳定性对于寒区公路与铁路的安全运营至关重要。为全面了解冻土路基领域的研究现状及发展趋势,利用知识图谱工具CiteSpace对中国知网和Web of Science数据库中冻土路基相关文献进行了可视化分析。检索时间范围为2000年1月1日... 冻土路基的稳定性对于寒区公路与铁路的安全运营至关重要。为全面了解冻土路基领域的研究现状及发展趋势,利用知识图谱工具CiteSpace对中国知网和Web of Science数据库中冻土路基相关文献进行了可视化分析。检索时间范围为2000年1月1日—2023年8月31日,共纳入1 027篇中文文献和854篇英文文献。结果表明:自2000年以来,冻土路基研究的发文量总体呈增长趋势;从2017年开始,英文文献的发布数量逐渐超过中文文献,其中我国学者在国际期刊的发文量占到80%左右;国内研究机构之间合作较为密切,以中国科学院西北生态环境资源研究院和北京交通大学为核心的科研机构及院校在冻土路基的研究中起着主导作用,而国际机构间的合作还有待加强。关键词聚类与突现图谱表明,冻土路基的研究主要围绕多年冻土路基的稳定性、路基病害与补强措施、季节冻土路基的病害防治展开。近几年,冻土专家学者们聚焦于新型路基稳定措施,路基的水、汽迁移机理,以及高铁路基的冻胀防治研究,新材料、新技术及新结构不断被引入到冻土路基研究。未来随着新能源、材料学、人工智能、合成孔径雷达干涉测量(InSAR)等新一代技术与机械化的融合,冻土路基的稳定性补强措施和季节冻土路基的防冻胀措施会在提高效果的同时更加注重环保理念,冻土路基的施工、管理及监测也会不断向着数字化和智能化发展。 展开更多
关键词 冻土路基 稳定性措施 研究热点 可视化分析
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煤气化粗渣改良季节冻土区黄土填料的冻融特性及其微观机理研究
5
作者 武立波 杨嘉伟 +1 位作者 刘惠阳 陈宏信 《冰川冻土》 CSCD 2024年第3期930-943,共14页
由于周期性的冻融循环作用,中国西北黄土区路基工程极易发生冻融病害,常用的解决方法是用改良黄土作为路基填料。目前工业废弃物改性不良路基土已成为工程地基改良处理的新趋向,鉴于西北地区煤气化渣堆存量巨大且资源化利用率低,尝试用... 由于周期性的冻融循环作用,中国西北黄土区路基工程极易发生冻融病害,常用的解决方法是用改良黄土作为路基填料。目前工业废弃物改性不良路基土已成为工程地基改良处理的新趋向,鉴于西北地区煤气化渣堆存量巨大且资源化利用率低,尝试用煤气化粗渣改良季节冻土区黄土,以素黄土与单掺石灰改良黄土作为对比试验组,通过室内冻融循环试验、电镜扫描、CT扫描试验来探究在冻融循环条件下煤气化粗渣改良黄土的冻融特性及其微观机理,为季节冻土区黄土路基工程稳定性及煤气化渣资源化利用提出一些新的思考。试验结果表明:(1)经历1次与2次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试验组的冻胀率为0.02%与0.29%,融沉系数为0%与0.05%,素黄土、单掺4%石灰试验组的冻胀率分别为0.43%与0.63%、0.38%与0.42%,融沉系数分别为0.26%与0.22%、0%与0.13%,但在经历3次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试验组的冻胀率和融沉系数开始增大,5次冻融循环周期内的平均冻胀率和融沉系数分别为0.38%与0.17%,已接近甚至大于素黄土与单掺4%石灰试验组的数值。在前两次冻融循环周期内,平均冻胀率和融沉系数较素黄土组分别减小了70.8%和89.6%。(2)单掺15%煤气化粗渣试样各位置的温度梯度最小,其次是双掺煤气化粗渣与石灰试样,并且这两组试样正负温条件下的导热系数最小。(3)经过5次冻融循环后,单掺15%煤气化粗渣试样各高度的含水率最低。(4)单掺适量的煤气化粗渣在冻融循环的初期能明显地改善黄土的冻融特性,再掺入少量的石灰能使试样在冻融循环前后的孔隙率较素黄土分别降低41.5%与47.8%。总的来说,黄土中掺入煤气化粗渣在冻融循环次数少于3次时能改善黄土路基填料的寒区服役性,但其在更多次冻融循环条件下的冻融特性还需进一步研究。 展开更多
关键词 季节冻土区 煤气化粗渣 黄土 路基填料 冻融特性 微观机理
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淤泥质盐渍土冻胀特性试验研究与数值模拟
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作者 朱杰 戚珊珊 罗阳 《冰川冻土》 CSCD 2024年第4期1259-1270,共12页
针对开放系统下淤泥质盐渍土在单向冻结过程中的水盐迁移和冻胀特性开展了试验和理论研究。为了研究淤泥质盐渍土在单向冻结条件下冻胀力随冷端温度、初始含水量、含盐量和上覆荷载变化的规律,通过配制含有硫酸盐的淤泥质盐渍土土样作... 针对开放系统下淤泥质盐渍土在单向冻结过程中的水盐迁移和冻胀特性开展了试验和理论研究。为了研究淤泥质盐渍土在单向冻结条件下冻胀力随冷端温度、初始含水量、含盐量和上覆荷载变化的规律,通过配制含有硫酸盐的淤泥质盐渍土土样作为试样进行了单向冻结条件下的冻胀试验。基于非饱和土渗流和热传导理论和水动力学模型,遵循质量守恒和能量守恒定律,考虑水盐迁移、相变的影响,从盐胀和冻胀机理出发简化应力场方程,建立了适用于淤泥质盐渍土的三维水、热、盐、力多场耦合方程。通过COMSOL Multiphysics软件PDE模块对室内非饱和土体建立耦合模型并进行数值计算。通过比较不同深度处测点的温度、含水量、含盐量以及土体冻胀力的数值模拟计算值和试验结果,验证了模型的有效性。结果表明:降低冷端温度和增加初始含水量有助于促进土体的冻胀力产生,而上覆荷载和土体含盐率的增加对土体的冻胀力产生抑制作用。淤泥质软土的冻胀力稳定值(即最终冻胀力稳定数值)与冻结温度呈线性关系,与土体初始含水量、上覆荷载以及含盐率呈二次抛物线关系。 展开更多
关键词 淤泥质盐渍土 人工单向冻结 冻胀力 耦合方程 数值模拟
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基于非饱和渗流的粗粒土冻胀特性
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作者 王莉莉 张钰 +2 位作者 付世博 刘英杰 马松浩 《黑龙江科技大学学报》 CAS 2024年第3期424-432,共9页
为探究冷端温度与初始含水率对粗粒土冻胀特性的影响,在封闭不补水条件下进行粗粒土单向冻结试验研究,并建立冻土水热力耦合模型,分析了多因素影响下的粗粒土冻胀特性。结果表明:冷端为-20℃时,冻结区域内各土层的降温速率约为冷端-5℃... 为探究冷端温度与初始含水率对粗粒土冻胀特性的影响,在封闭不补水条件下进行粗粒土单向冻结试验研究,并建立冻土水热力耦合模型,分析了多因素影响下的粗粒土冻胀特性。结果表明:冷端为-20℃时,冻结区域内各土层的降温速率约为冷端-5℃的3~4倍,土体冻结深度比冷端-5℃时增加约41.1 mm;饱和土样在冷端处的冰体积含量为71.6%,其冻胀率约为含水率5%土样的4.5倍;冷端温度较低的情况下土体内部的温度梯度更大且降温速率更快,土体含水率与冰体积含量、冰透镜体厚度呈正相关,对冻胀率影响更显著。 展开更多
关键词 单向冻结试验 粗粒土 水热分布 冻胀特性 含冰量
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粗颗粒硫酸盐渍土水盐迁移规律及变形特性研究
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作者 周凤玺 杨金银 +1 位作者 巨文涛 马强 《冰川冻土》 CSCD 2024年第1期199-210,共12页
针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场... 针对封闭系统下粗颗粒硫酸盐渍土在冻结过程中的水盐迁移和变形特性开展了理论和试验研究。基于非饱和多孔介质热弹性理论,考虑孔隙水盐相变,建立了适用于粗颗粒盐渍土水-热-盐-力多场耦合模型,并对单向冻结条件下粗颗粒盐渍土的温度场、水分场、盐分场和位移场分布进行了数值模拟。通过配制含硫酸盐的细砂作为土样开展了单向冻结条件下的室内试验,测定了冻结过程中的温度、水分、盐分以及变形的分布,并与数值结果进行了比较,验证了理论模型的有效性。结果表明:砂土结构孔隙更大,水分和盐分更容易渗透和迁移,在单向冻结试验中,水盐迁移速度更快;细砂的轴向位移呈现先下降后上升的变化趋势,且收缩变形持续时间较黏土更长;由于暖端水分向冷端迁移致使暖端土体孔隙减小,下部土体变得更加密实,土柱下部侧壁压力大于上部。 展开更多
关键词 粗颗粒盐渍土 多场耦合 水盐迁移 变形特性
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高温不稳定多年冻土区保温护道路基热状况监测分析
9
作者 张玉芝 贾明涛 +2 位作者 朱东鹏 梁少杰 潘晓天 《冰川冻土》 CSCD 2024年第4期1214-1224,共11页
基于高温不稳定多年冻土区保温护道路段地温监测数据,分析了天然场地及左右路肩下地温、年平均地层温度、热收支及多年冻土上限变化等,探讨了气候变暖及阴阳坡效应下路基不同位置不同深度热状态变化特性及其与天然场地的差异。结果表明... 基于高温不稳定多年冻土区保温护道路段地温监测数据,分析了天然场地及左右路肩下地温、年平均地层温度、热收支及多年冻土上限变化等,探讨了气候变暖及阴阳坡效应下路基不同位置不同深度热状态变化特性及其与天然场地的差异。结果表明:左右路肩阴阳坡效应显著,左路肩下多年冻土最大融化深度为右路肩的2倍,最大融化深度降低速率为右路肩的5倍,且左路肩下多年冻土上限下降速率为右路肩的1.5倍;右路肩处在阴坡且保温护道可能对其多年冻土维持稳定起到了一定积极作用,抬升了其人为冻土上限并减缓了上限下降速率。不同位置年平均地层温度均呈上升趋势,且增长速率随深度逐渐降低,然而左路肩的路基与天然场地交界面附近温度增长速率大于2.5 m深度处,表明此特殊位置土层在多因素作用下可能受到更强的热扰动影响。一般情况下,冻土吸热放热量均随深度降低逐渐减少,但多年冻土上限处在0℃等温线的特殊位置,可能出现吸热量突然增大的现象;多年冻土上限处由于深度较深,热收支增长速率已不受阴阳坡效应影响,该断面左路肩多年冻土上限处年平均热收支为右路肩的2.92倍,但其热收支增长速率几乎相等。 展开更多
关键词 青藏公路 高温不稳定冻土 热收支 年平均地层温度 多年冻土上限
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多年冻土区石油污染土物理性质、石油迁移及修复现状 被引量:2
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作者 晏忠瑞 黄健 +2 位作者 万旭升 路建国 刘志良 《环境科学研究》 CAS CSCD 北大核心 2024年第6期1336-1347,共12页
随着多年冻土区石油资源的开发,石油污染问题日益严重。本文概述了多年冻土区石油污染土的物理性质和修复技术,以及石油污染物的迁移规律和模型。通过回顾相关研究发现:①在微观结构上,多年冻土区石油污染土平均孔隙度没有变化,但孔径增... 随着多年冻土区石油资源的开发,石油污染问题日益严重。本文概述了多年冻土区石油污染土的物理性质和修复技术,以及石油污染物的迁移规律和模型。通过回顾相关研究发现:①在微观结构上,多年冻土区石油污染土平均孔隙度没有变化,但孔径增大,孔隙数量减少,各向异性程度降低。②土壤受到石油污染后,其导热率和冻结温度会显著降低,从而减少了土壤冻结成冰的分凝量和冻胀量。③位于多年冻土上部活动层的石油随冻融循环调控水分而发生迁移,而低渗透率的多年冻土层是有效阻止石油垂直迁移的天然屏障。④现有的石油迁移模型可分为两类:一是非水相流体在多孔介质中的渗流模型,二是非水相流体在多孔介质中的浓度分布模型。多年冻土区石油迁移模型的建立受多种因素的影响,特别是要考虑多年冻土区特殊的气候条件,如低温、淋滤和冻融循环等。⑤多年冻土区石油污染土壤的修复技术包括物理、化学和生物修复。其中,物理修复是应急首选,快速高效但成本较高;化学修复效果明显,但易造成二次污染;生物修复经济环保,但在多年冻土区受到诸多限制,且时效性长。总体而言,由于多年冻土区的石油污染场地的复杂性和多变性,单一的修复技术往往难以解决污染问题,联合使用物理、化学和生物修复方法是未来重要的发展趋势。 展开更多
关键词 多年冻土区 石油污染 物理性质 迁移过程 修复方法
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真三轴应力条件下冻结钙质黏土能量特征及影响因素分析
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作者 曹祎 荣传新 +3 位作者 王彬 施鑫 王志 张杰 《冰川冻土》 CSCD 2024年第4期1290-1300,共11页
为深入探讨在真三轴应力路径及多因素交互作用条件下冻结钙质黏土的能量特征及其影响程度,本研究借助ZSZ-2000型真三轴冻土试验平台,采用正交试验的设计方法,开展冻结钙质黏土真三轴压缩试验研究。研究结果揭示:在初始压密阶段及线弹性... 为深入探讨在真三轴应力路径及多因素交互作用条件下冻结钙质黏土的能量特征及其影响程度,本研究借助ZSZ-2000型真三轴冻土试验平台,采用正交试验的设计方法,开展冻结钙质黏土真三轴压缩试验研究。研究结果揭示:在初始压密阶段及线弹性阶段,冻结钙质黏土的输入能相对较低,增长速率缓慢;随着加载过程的深入,输入能逐步增加,其增长速率亦随之提高;至破坏阶段,输入能-等效应力曲线呈现出明显的跃升特征,此时输入能的急剧上升,说明输入能曲线斜率的变化是冻结钙质黏土内部裂纹非稳定发展的微观表现。同时,输入能曲线的突然急升亦指示了失稳破坏的发生。进一步通过极差分析及AHP层次分析可得一致的输入能影响因素优劣次序:含水率w、中主应力系数b、温度T、含盐量φ、围压σ3。含水率对输入能的负向影响显著,温度和中主应力系数b对输入能有着显著的正向影响关系,随着中主应力系数b值的增加,其对冻结试样输入能的影响程度呈减弱的趋势且存在一个最优中主应力系数b=0.33使试样输入能增幅达到最大。 展开更多
关键词 盐渍冻土 真三轴 应力路径 能量特征 影响分析 AHP层次分析
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高海拔季节冻土区完全融化期土壤水分特征曲线适用性
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作者 张海生 翁白莎 +3 位作者 严登华 栾清华 李文文 邓彬 《南水北调与水利科技(中英文)》 CAS CSCD 北大核心 2024年第2期247-257,358,共12页
以怒江源区那曲流域为例,基于4个试验场完全融化期(6—9月)的土壤体积含水量(0.15~0.51 cm^(3)/cm^(3))和土壤基质势数据(0~200 kPa)实测数据,选择Van Genuchten(VG)、Brooks-Corey(BC)和Campbell 3个模型进行拟合,以均方根误差ERMS和... 以怒江源区那曲流域为例,基于4个试验场完全融化期(6—9月)的土壤体积含水量(0.15~0.51 cm^(3)/cm^(3))和土壤基质势数据(0~200 kPa)实测数据,选择Van Genuchten(VG)、Brooks-Corey(BC)和Campbell 3个模型进行拟合,以均方根误差ERMS和决定系数R2为评价指标,分析3个模型对高海拔季节冻土区不同土层和不同土壤质地的适用性。结果表明:从整体上看,VG模型(平均R2为0.992,平均ERMS为0.006 cm^(3)/cm^(3))的拟合效果优于BC模型(平均R2为0.972,平均ERMS为0.019 cm^(3)/cm/3)和Campbell模型(平均R2为0.984,平均ERMS为0.014 cm^(3)/cm^(3));但是在不同土层和不同土壤质地情况下模型的适用性有所区别,VG模型更适用于壤土和壤质砂土(平均R2为0.987,平均ERMS为0.008 cm^(3)/cm^(3))以及土壤深层(10~35 cm土层,平均R2为0.990,平均ERMS为0.007 cm^(3)/cm^(3)),Campbell模型更适用于砂质壤土(平均R2为0.985,平均ERMS为0.009 cm^(3)/cm^(3))以及土壤表层(5 cm土层,平均R2为0.993,平均ERMS为0.006 cm^(3)/cm^(3)),BC模型在不同条件下都不是最优模型;参数θr取值大小会显著影响土壤水分特征曲线的形状。本研究可为深入研究高海拔季节冻土区的土壤水分运动特性以及中华水塔区的水源涵养作用提供支持。 展开更多
关键词 土壤水分特征曲线 模型优选 土壤质地 Van Genuchten模型 那曲流域
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1960—2023年我国东北典型季节性冻土区冻融指数及冻土退化影响因素分析
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作者 李保琦 张楚楚 +4 位作者 周毓彦 丁红 吕航 常诚 燕玉亮 《水利水电技术(中英文)》 北大核心 2024年第8期161-173,共13页
【目的】季节性冻土的冻融循环过程显著影响了流域水循环和冻土层的演变。明晰冻融过程演变规律,为保障季节性冻土区生态及水利水电工程的建设和运行管理提供理论支撑。【方法】基于我国东北部典型季节性冻土区的10个气象站和冻土观测... 【目的】季节性冻土的冻融循环过程显著影响了流域水循环和冻土层的演变。明晰冻融过程演变规律,为保障季节性冻土区生态及水利水电工程的建设和运行管理提供理论支撑。【方法】基于我国东北部典型季节性冻土区的10个气象站和冻土观测站数据,分析1960—2020年冻融指数的时空分布特征,计算了最大冻结深度、冻结开始日期、完全融化日期、冻融期、冻土退化速率,并结合气候(年平均气温、冻结温度变化率、冻结指数、融化指数)及地理参数(经纬度、海拔),利用相关性分析评估1960—2023年典型季节性冻土区最大冻结深度、冻土退化速率与冻融状态的影响。【结果】我国东北部典型季节性冻土区冻结指数以55.10℃·d/10 a的速率减小,融化指数以60.80℃·d/10 a的速率增加。60 a间最大冻结深度范围为68.00~260.00 cm,冻土退化速率范围为0.07~1.45 cm/a,开始冻结日期推迟速率为1.15 d/10 a,完全融化日期以4.71 d/10 a的速率显著提前,冻融期以5.60 d/10 a的速率缩短。【结论】冻结指数与纬度的相关性大,而融化指数与海拔相关性强。我国东北部典型季节性冻土区最大冻结深度主要受年平均气温和纬度影响,冻土退化主要受冻结温度变化率影响,冻融期显著受年平均气温影响。 展开更多
关键词 冻融特征 时空演变 影响因素 贡献分解 季节性冻土区
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基于SHAW模型的黑河上游多年冻土与季节冻土水热过程模拟
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作者 石志峰 李新 +2 位作者 孙自永 马瑞 曹斌 《冰川冻土》 CSCD 2024年第5期1678-1691,共14页
全球气候变暖导致多年冻土快速升温,并逐渐退化为季节冻土,而多年冻土和季节冻土在土壤稳定性、水分传输及地气交换等方面存在显著差异。因此,探究多年冻土与季节冻土的冻融特征差异具有重要意义。本文基于水热耦合模型(SHAW),以黑河上... 全球气候变暖导致多年冻土快速升温,并逐渐退化为季节冻土,而多年冻土和季节冻土在土壤稳定性、水分传输及地气交换等方面存在显著差异。因此,探究多年冻土与季节冻土的冻融特征差异具有重要意义。本文基于水热耦合模型(SHAW),以黑河上游祁连山区的大沙龙站(多年冻土)和阿柔站(季节冻土)为研究对象,对土壤温度、湿度和土壤冻融过程进行模拟分析。结果表明:SHAW模型在模拟两种类型冻土站点水热过程时均显示出了良好的精度,在多年冻土站点的总体表现更好。具体而言,多年冻土/季节冻土站点的土壤温度和土壤湿度的平均纳什效率系数(NSE)分别为0.95/0.91和0.74/0.37。同时,两个站点的水热过程差异显著,多年冻土站点模拟期平均冻结速率(6.75 cm·d^(-1))显著大于季节冻土站点(1.33 cm·d^(-1)),而平均融化速率(2.11 cm·d^(-1))略小于季节冻土站点(3.15 cm·d^(-1))。由于多年冻土站点的下伏多年冻土层起着“地下冷源”的作用,深层(80 cm以下)土壤温度的季节波动幅度小于季节冻土站点。本文结论可为研究黑河上游多年冻土与季节冻土的冻融差异提供参考。 展开更多
关键词 多年冻土 季节冻土 SHAW 土壤温度 土壤湿度 冻融循环
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双针热脉冲测定冻土热特性的数值模拟方法 被引量:1
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作者 张媛媛 刘湘君 +3 位作者 赵天悦 赫刘台 何海龙 刘刚 《农业工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第11期92-99,共8页
使用双针热脉冲(dual probe heat pulse, DPHP)测定冻土热特性时施加热脉冲后会导致加热探针周围的冰融化,使用目前常用的仅考虑热传导(忽略融化相变、冰水两相分界面)的解析解处理DPHP温度数据,会导致在-5℃至0℃温度范围内无法准确测... 使用双针热脉冲(dual probe heat pulse, DPHP)测定冻土热特性时施加热脉冲后会导致加热探针周围的冰融化,使用目前常用的仅考虑热传导(忽略融化相变、冰水两相分界面)的解析解处理DPHP温度数据,会导致在-5℃至0℃温度范围内无法准确测量热导率(λ)和比热(C_(v))。为了能够准确测定冻土的λ和C_v,有必要考虑DPHP加热过程中引起的冰融化的相变潜热。该研究基于COMSOL仿真软件模拟了考虑相变潜热、相变区间以及移动冰水界面的DPHP测量过程,采用随温度非线性变化的真实冻土热特性进行模拟,并与真实冻土的DPHP测量数据对比。结果表明:1)COMSOL仿真在不考虑相变条件下与无限线性热源模型结果完全吻合(R^(2)=0.998 9);2)当土壤初始温度低于-5℃时,考虑相变发生的COMSOL仿真能够准确模拟试验结果,表现出较高的相关性(R^(2)> 0.93),在-1~0℃的土壤初始温度范围内,无限线性热源模型的结果与试验测量显著偏离(R^(2) <0.001 3);3)在不同土壤初始温度下,相变温度为-1.5~-0.5℃的仿真结果与试验数据具有较高的相关性(R^(2)> 0.7)。该研究结果检验了有限元仿真用于真实冻土DPHP研究的可行性,可为准确预测冻土热特性的研究提供方法。 展开更多
关键词 冻土 数值模拟 热传导 双针热脉冲 移动边界
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冻土动力学研究综述
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作者 陈克政 丁琳 孙剑飞 《世界地震工程》 北大核心 2024年第1期185-198,共14页
冻土动力学是寒区岩土工程所要考虑的重要内容,是研究冻土抗震和抗长期循环荷载的理论基础。本文主要介绍了冻土动力学参数的测试方法,回顾了冻土动力学参数、冻土动强度、冻土动蠕变破坏特征和冻土动蠕变强度的研究进展,并对部分冻土... 冻土动力学是寒区岩土工程所要考虑的重要内容,是研究冻土抗震和抗长期循环荷载的理论基础。本文主要介绍了冻土动力学参数的测试方法,回顾了冻土动力学参数、冻土动强度、冻土动蠕变破坏特征和冻土动蠕变强度的研究进展,并对部分冻土动态本构模型和动蠕变模型进行了简单的介绍,最后对冻土动力学的发展趋势进行了展望。 展开更多
关键词 冻土 动力学参数 动强度 动态本构模型 动蠕变 动蠕变模型
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硫酸钠盐渍土冻结温度计算模型构建及验证
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作者 孙利英 柴明堂 +2 位作者 李王成 宋岩 李曼 《冰川冻土》 CSCD 2024年第1期211-220,共10页
土的冻结温度是使土体物理力学性质发生显著变化的关键温度,盐渍土中由于盐分存在使冻结温度的预测变得困难。本文提出了一种适用于硫酸盐渍土有盐分析出时的冻结温度计算模型,分别对硫酸钠自由溶液、硫酸钠盐渍土及石英砂的冻结温度变... 土的冻结温度是使土体物理力学性质发生显著变化的关键温度,盐渍土中由于盐分存在使冻结温度的预测变得困难。本文提出了一种适用于硫酸盐渍土有盐分析出时的冻结温度计算模型,分别对硫酸钠自由溶液、硫酸钠盐渍土及石英砂的冻结温度变化规律展开了研究。首先,依据固液两相平衡时化学势的规律、冰晶表面曲率影响以及盐分结晶析出对溶液浓度的影响,构建了自由溶液、盐渍土及石英砂的冻结温度预测模型;然后,开展室内冻结试验得到了冻结温度测量值,通过计算测量值与计算值二者的均方根误差(RMSE)、显著性水平(α)及一致性系数(LA),验证了本文模型的精度与适用性。结果表明:土样中初始含水率越小,土样表面的毛细作用和吸附作用越强,使土样冻结温度越低。在土样孔隙中盐溶液有效浓度越大,冻结温度越小。由于盐分结晶的影响,有效浓度随盐浓度增大先增大后减小,然后保持不变。土样孔隙半径越小,冰晶表面曲率影响越大,冻结温度越低。该研究成果能为盐渍土盐冻胀变形及人工冻结中的温度参数分析提供一种新的方法。 展开更多
关键词 硫酸钠盐渍土 冻结温度 相变 盐分析出 冰晶表面曲率 热力学模型
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湿干循环作用对冻土-复合土工布界面常法向应力剪切特性的影响试验研究 被引量:1
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作者 张航 曹海涛 +2 位作者 何鹏飞 候光亮 李国玉 《冰川冻土》 CSCD 2024年第1期185-198,共14页
土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉... 土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。 展开更多
关键词 剪切强度 界面 湿干循环 冻土 复合土工布 显著性分析
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P波入射下饱和冻土自由场地地震地面运动分析
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作者 焦豪 马强 周凤玺 《冰川冻土》 CSCD 2024年第1期137-151,共15页
地震波的放大或衰减受场地条件的影响,因而选择符合实际情况的场地模型来分析地震地面运动极为重要。为了研究西部高寒地区冻土场地的地震地面运动特征,基于弹性波在单相弹性介质与冻结饱和多孔介质中的传播理论,建立了P波入射下基岩上... 地震波的放大或衰减受场地条件的影响,因而选择符合实际情况的场地模型来分析地震地面运动极为重要。为了研究西部高寒地区冻土场地的地震地面运动特征,基于弹性波在单相弹性介质与冻结饱和多孔介质中的传播理论,建立了P波入射下基岩上覆饱和冻土自由场地模型,求得了平面P波入射情况下基岩上覆饱和冻土自由场地地震地面运动的解析解答。通过数值计算,分析了平面P波在不同入射角度下,入射频率、孔隙率、介质温度、胶结参数和接触参数等物理力学参数对饱和冻土自由场地地震地面运动的影响规律。分析结果表明:平面P波的入射频率对基岩上覆饱和冻土自由场地地表位移有显著影响。基岩上覆饱和冻土自由场地的水平位移随着平面P波入射频率增大而减小,竖向位移随入射频率增大而增大;孔隙率的增大也会导致饱和冻土自由场地水平位移增大,但其增幅随着平面P波入射角度的增加先增大后减小,竖向位移也增大,但增幅随入射角度增加逐渐减小;冻土场地中介质温度的降低会导致饱和冻土自由场地的水平位移和竖向位移减小。这表明冰相对于冻土场地中地震波传播具有重要影响;此外,泊松比也会对自由场地的位移产生一定影响,水平位移随泊松比增大而减小,增幅随平面P波入射角度增加先增大后减小。随着泊松比增大,饱和冻土自由场地的竖向位移显著增大,增幅随平面P波入射角度增加逐渐减小;接触参数的增加会导致自由场地的水平位移增大,增幅先增大后逐渐减小。同时,地表竖向位移也会增大,但增幅逐渐减小。 展开更多
关键词 饱和冻土 平面P波 反射与透射 地面运动 解析解
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冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用过程研究
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作者 邓菲 路建国 +2 位作者 周小勋 万旭升 王大国 《冰川冻土》 CSCD 2024年第1期152-161,共10页
冻融循环作用显著影响土石混合体的水-热-变形相互作用过程及力学特性。基于此,本文开展了单向冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用及无侧限抗压强度试验。通过单向冻融循环装置对30%砾石含量的土石混合体进行了4次单向冻融循... 冻融循环作用显著影响土石混合体的水-热-变形相互作用过程及力学特性。基于此,本文开展了单向冻融循环作用下土石混合体水-热-变形相互作用及无侧限抗压强度试验。通过单向冻融循环装置对30%砾石含量的土石混合体进行了4次单向冻融循环试验,每次循环根据设定的温度变化曲线持续168小时,模拟实际自然环境中冻结和融化的周期。同时,利用微机控制电液伺服万能试验机开展了未冻融和冻融循环后试样的力学特性测试,并探讨了冻融循环对土石混合体微观结构劣化机理的影响。研究结果表明:单向冻融循环对试样内温度、水分和变形有显著影响。冻融循环过程中土石混合体的融化速率大于冻结速率,试样在冻融循环过程中存在着体积未冻水的迁移和重分布。第一次冻融循环对土石混合体变形影响最为显著,试样的净变形随着冻融循环次数的增加先增大后趋于稳定。此外,反复的单向冻融循环改变了试样的孔隙结构。冻融循环后试样的抗压强度和变形模量分别减小了45.31%和60.92%,其衰减幅值随着冻融循环次数的增加而降低。 展开更多
关键词 土石混合体 冻融循环 温度 未冻水含量 变形
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