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生物聚合物改良黄土的冻融特性试验研究 被引量：2
1
作者 武立波 崔子龙 +3 位作者 林战举 翟明政 姚如龙 刘惠阳 《冰川冻土》 2025年第2期464-476,共13页
强烈的冻融循环作用是我国西北寒区黄土路基冻融病害频繁发生的主要影响因素。目前,常用的水泥或石灰改良黄土方法存在不利于环境可持续发展的弊端,因此,探寻生态环保且经济有效的改良技术成为亟待解决的关键问题。本研究选取生物聚合... 强烈的冻融循环作用是我国西北寒区黄土路基冻融病害频繁发生的主要影响因素。目前,常用的水泥或石灰改良黄土方法存在不利于环境可持续发展的弊端,因此,探寻生态环保且经济有效的改良技术成为亟待解决的关键问题。本研究选取生物聚合物中的黄原胶、瓜尔胶对寒区黄土进行改良,并深入探究其冻融特性。通过开展室内冻融循环试验和电镜扫描试验,系统分析生物聚合物改良黄土的冻融特性及微观作用机理。研究发现:(1)黄原胶和瓜尔胶掺量分别为1.5%和2.0%时,对温度的调控效果最为显著。其中,掺加黄原胶可使冷暖峰值温差降低12.5%,瓜尔胶改良黄土在温度控制效果上略逊于黄原胶改良黄土。(2)添加黄原胶和瓜尔胶后,土体内水分迁移量明显减少。在冻融循环过程中,黄土掺加1.5%黄原胶和0.5%瓜尔胶后,水分迁移量从1.2%分别降至0.1%和0.3%,降幅达91%和75%。(3)当两种生物聚合物在黄土中的掺量均为0.5%时,对冻胀与融沉变形的控制效果最佳,此时黄原胶和瓜尔胶改良黄土的平均冻胀率相较于素黄土分别降低21.4%、14.3%,平均融沉系数分别降低40%、60%。(4)从微观层面来看,生物聚合物通过胶结、包裹土粒,有效改善了黄土的水热传递性能和微观孔隙结构。这表明在0.5%掺量条件下,黄原胶和瓜尔胶均能较为有效地抑制黄土的冻胀与融沉变形。研究成果可为我国西北寒区黄土冻融病害的防治以及黄土改良研究提供参考和借鉴。 展开更多
关键词 黄土 黄原胶 瓜尔胶 冻融循环 冻胀 融沉
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冻土-结构界面剪切性能研究进展综述
2
作者 王伯昕 王天略 +1 位作者 王清 陈慧娥 《吉林大学学报(地球科学版)》 北大核心 2025年第6期1923-1944,共22页
在寒区工程中,冻土-结构界面的剪切性能是影响设施长期服役稳定性的关键因素,而现有研究对多物理场作用下的界面损伤机制缺乏系统表征。为揭示热力学条件扰动下,各影响因素通过调整冰水相变过程,进而重塑冻土-结构界面的力学行为,本文... 在寒区工程中,冻土-结构界面的剪切性能是影响设施长期服役稳定性的关键因素,而现有研究对多物理场作用下的界面损伤机制缺乏系统表征。为揭示热力学条件扰动下,各影响因素通过调整冰水相变过程,进而重塑冻土-结构界面的力学行为,本文从试验方法、影响因素及本构模型三个方面,对冻土-结构界面剪切性能的研究进展进行了系统梳理与评述。首先通过总结直剪试验、现场原位试验及模型桩试验等方法,明确了热-水-盐-力多场耦合条件下各因素对界面力学行为的影响路径;进而分析了温度、水分、冻融循环和盐分等因素通过调控冰水相变过程对界面剪切性能的作用机制;最后,评估了现有冻土-结构界面本构模型的适用性与局限性。结果表明:温度梯度与水分迁移通过调控冰水相变过程的冰胶结强度与未冻水膜厚度改变界面剪切性能;冻融循环引发的孔隙重构与冰晶分异,导致界面强度劣化;盐分则通过改变相变温度阈值和盐结晶膨胀效应,影响界面空间构成。现有模型在冰水相变、长期冻融及多场耦合表征上存在明显不足。建议未来从“试验-观测-模型”多角度出发,结合跨尺度观测技术构建界面热-水-盐-力耦合模型,为寒区工程抗冻胀设计和灾害防控提供设计依据与研究方向。 展开更多
关键词 界面体系 剪切性能 冻土 结构界面 冰水相变 冻融循环 本构模型
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大兴安岭北部多年冻土现状及变化特征 被引量：1
3
作者 常晓丽 肖苓海 +3 位作者 金会军 李晓英 何瑞霞 余田霞 《冰川冻土》 2025年第1期126-138,共13页
冻土作为冰冻圈重要的组成部分,其存在分布及水热状态受到多种因素的影响。除了纬度、海拔等,局地因素如植被类型、积雪、土壤水分等也在很大程度上影响冻土的变化。特别是位于欧亚大陆多年冻土南缘的兴安-贝加尔型多年冻土,其发育、保... 冻土作为冰冻圈重要的组成部分,其存在分布及水热状态受到多种因素的影响。除了纬度、海拔等,局地因素如植被类型、积雪、土壤水分等也在很大程度上影响冻土的变化。特别是位于欧亚大陆多年冻土南缘的兴安-贝加尔型多年冻土,其发育、保存和分布等状态特征与局地因素密不可分。本文结合40多个钻孔资料和现有研究成果,分析得出目前大兴安岭多年冻土温度和厚度总体上受纬度影响,由南往北随年平均气温降低,冻土温度由0℃降到-2.83℃,但局地因素的影响可使地温最低达-3.6℃;厚度范围为29~130 m,其中地温低、厚度大的多年冻土主要发育在谷底的塔头灌丛湿地区域。满归、根河、伊图里河、新林等地的监测数据表明,自2009年开始,大部分钻孔温度显示该区活动层减薄,浅层多年冻土地温降低,融区最大冻结深度加深,而深层多年冻土却呈升温趋势,零地温变化率位置则各不相同,推测这种情况与全球变暖间隙以及植被、积雪和人类活动等局地因素有关。本研究对理解高纬度多年冻土区的地温变化过程以及这些变化的驱动因素具有重要的科学价值,也会对区域经济可持续发展及应对冻土退化带来的问题起到积极作用。 展开更多
关键词 冻土退化 冻土温度 活动层减薄 零地温变化率 大兴安岭
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基于博弈论和可拓云理论的山地多年冻土环境评价——以祁连山地区柴木铁路沿线为例
4
作者 丑亚玲 徐佳伟 +3 位作者 叶怡宁 张亚宾 刘浩 周凤玺 《冰川冻土》 2025年第5期1387-1400,共14页
山地多年冻土分布碎、厚度薄,对气候变化敏感,受局地环境影响大。针对当前山地多年冻土环境评价研究中评价指标不确定性、分类等级边界信息存在随机性和模糊性等关键问题,提出了基于博弈论和可拓云理论的多年冻土环境综合评价数学模型... 山地多年冻土分布碎、厚度薄,对气候变化敏感,受局地环境影响大。针对当前山地多年冻土环境评价研究中评价指标不确定性、分类等级边界信息存在随机性和模糊性等关键问题,提出了基于博弈论和可拓云理论的多年冻土环境综合评价数学模型。该模型从山地多年冻土的热稳定性、侵蚀敏感性和生态脆弱性等本质特征出发,系统构建了包含3个准则层和12个具体指标的多层次评价指标体系。在权重确定方面,采用博弈论综合赋权法,通过纳什均衡原理将决策实验室分析(DEMATEL)法确定的主观权重与熵值法计算的客观权重进行最优组合,有效解决了传统评价中主客观权重分配不合理的问题。在评价方法上,充分利用可拓云模型在处理不确定性问题和模糊边界问题上的独特优势,通过计算待评物元与标准云之间的云隶属度函数,获得综合评价向量,并依据最大隶属度原则确定最终评价等级。为验证模型的可靠性与有效性,选取祁连山地区柴木铁路DK101+500~DK102+400段沿线典型山地多年冻土区作为案例研究对象,评价结果显示该区域冻土环境质量期望值Ex为3.811,对应IV级(较好)状态,年平均地温(C12)、体积含冰量(C13)、多年冻土厚度(C14)等指标在铁路建设运营扰动及工程修复措施未完全补偿热收支失衡的影响下评价等级为III级(中等),表明该地区多年冻土已出现退化迹象,该评价结果与实际情况相符合。研究成果不仅为山地多年冻土环境评价提供了新的思路与方法,也为寒区工程建设和生态保护提供了科学决策依据。 展开更多
关键词 山地多年冻土 环境评价 博弈论 可拓云 DEMATEL法 柴木铁路
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1981—2022年陕西省最大冻土深度时空变化特征
5
作者 马晓华 李双双 +2 位作者 马青 高星星 李明 《陕西气象》 2025年第4期26-32,共7页
基于1981—2022年陕西省93个国家气象站历年逐月最大冻土深度资料及年平均温度资料,分析了陕西省最大冻土深度的时空分布特征,并利用相对标准差、趋势分析、低通滤波及相关分析等方法,探究气候变化对冻土的影响。结果表明:陕西冻土地貌... 基于1981—2022年陕西省93个国家气象站历年逐月最大冻土深度资料及年平均温度资料,分析了陕西省最大冻土深度的时空分布特征,并利用相对标准差、趋势分析、低通滤波及相关分析等方法,探究气候变化对冻土的影响。结果表明:陕西冻土地貌分布广泛,最大冻土深度从南向北逐渐加深。在气候变暖背景下,陕西各站土壤冻结日推迟,冻土解冻日提前。最大冻土深度月际变化特征显著,从上一年11月到当年2月,最大冻土深度50cm线南界南压,即最大冻土深度50cm冻土范围由北向南增加,3月冻土开始消融。陕西省年平均最大冻土深度呈波动下降的变化趋势,以2cm/10a的速率减小。年最大冻土深度与年平均气温和年平均地温呈负相关,随着年平均温度的升高,最大冻土深度变浅。 展开更多
关键词 冻土 最大冻土深度 气温 地温
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漠河地区冻结粉质黏土强度及其影响因素研究
6
作者 戚春香 马佳荟 +2 位作者 路维龙 张凯强 赵中涛 《中国民航大学学报》 2025年第2期45-51,共7页
多年冻土受温度及冻融循环作用影响显著,为了探究其力学特性,本文以漠河地区冻土为研究对象,开展了不同含水率及冻融循环次数条件下的冻土直剪试验以及不同温度、含水率、围压、加载频率和冻融循环次数条件下的冻土动三轴试验,以分析不... 多年冻土受温度及冻融循环作用影响显著,为了探究其力学特性,本文以漠河地区冻土为研究对象,开展了不同含水率及冻融循环次数条件下的冻土直剪试验以及不同温度、含水率、围压、加载频率和冻融循环次数条件下的冻土动三轴试验,以分析不同影响因素下冻土的抗剪特性和动力性能。试验结果表明:冻土试样剪应力-剪切位移曲线为应变软化型;冻土试样随含水率和冻融循环次数增加,抗剪强度、黏聚力和内摩擦角均出现不同程度的降低;冻土试样的动弹性模量在试验内的变化范围为210~800 MPa,与含水率、冻融循环次数、加载频率呈正相关关系,与温度和围压条件呈负相关关系,并随含水率的变化最为显著。同时,根据试验结果得出基于各影响因素的冻土动弹性模量计算公式。以上研究成果可为漠河地区开展机场建设等工程项目提供冻土力学特性参考数据。 展开更多
关键词 多年冻土 抗剪强度 动弹性模量 冻融循环 含水率
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粉质黏土单向冻结裂隙结构几何特征试验研究
7
作者 王英梅 尹娜 +3 位作者 王宇璐 马旭 张鹏 吴青柏 《冰川冻土》 2025年第5期1266-1277,共12页
冻土冻胀效应是青藏高原寒区工程安全面临的主要问题,而冻土中裂隙结构是冻胀效应的直接表现形式。本研究通过对粉质黏土进行单向冻结试验,并结合试验过程中的数据图像,分析试样在单向冻结过程中冻结裂隙发育规律。试验结果表明,在不同... 冻土冻胀效应是青藏高原寒区工程安全面临的主要问题,而冻土中裂隙结构是冻胀效应的直接表现形式。本研究通过对粉质黏土进行单向冻结试验,并结合试验过程中的数据图像,分析试样在单向冻结过程中冻结裂隙发育规律。试验结果表明,在不同工况下,土体冷生构造高度稳定在6~11 cm之间,缓慢冻结时(降温速率为1℃·h^(-1)),冻结裂隙的冷生构造高度与温度梯度成正比。冷端温度与降温速率共同影响冻土裂隙的形成,在较低降温速率下,冻结终温越低,裂隙面积占比越大,而在快速冻结条件下,极低温可能导致裂隙形成受限,甚至出现裂缝闭合趋势。冻结裂隙的宽度在冻结过程中在1~2 mm间波动,裂隙长度不稳定,波动较大。含盐试样在冻结过程中会在冷端形成一层冰壳,导致冰透镜体两侧盐浓度升高,造成导热系数降低,冻结锋面向前推动困难,无法形成薄层状构造带和最暖端厚层状构造带,只存在微薄层状构造带。含盐试样中裂隙并非严格沿水平方向发育,而是与水平向呈一定倾斜角度发育,且大部分裂隙的方位角为120°~180°,更接近于水平方向,表现出明显的方向性特征。研究结论从冻结裂隙结构的几何特征方面,为青藏高原冻土区的工程应用及安全保障研究提供实测规律参考。 展开更多
关键词 单向冻结 降温速率 粉质黏土 冷生构造 冻胀特性
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1971-2019年黑龙江省冻融指数和冻土分布时空变化研究 被引量：2
8
作者 宋成杰 周彦章 +1 位作者 戴长雷 涂维铭 《中国农村水利水电》 北大核心 2025年第4期192-200,共9页
黑龙江省是我国高纬度多年冻土的主要分布区,在气候变暖的趋势下,多年冻土退化严重,引起的水文、生态和环境等问题成为相关科学研究关注的焦点。基于黑龙江省34个气象站1971-2019a的气温和地表温度数据,采用冻融指数和地面冻结数模型,... 黑龙江省是我国高纬度多年冻土的主要分布区,在气候变暖的趋势下,多年冻土退化严重,引起的水文、生态和环境等问题成为相关科学研究关注的焦点。基于黑龙江省34个气象站1971-2019a的气温和地表温度数据,采用冻融指数和地面冻结数模型,结合趋势拟合和局部薄盘光滑样条函数插值法等,研究了黑龙江省年平均气温、年平均地表温度和冻融指数的时空变化,冻土分布特征及其影响因素。结果表明:黑龙江省多年平均气温和地表温度变化范围分别为-8.64~5.60℃和-6.52~7.58℃,空间分布上随纬度和海拔呈带状分布,年平均气温和地表温度年际升温速率趋于一致,分别为0.34和0.33℃/10 a。从1971-2019年,大气冻结指数和地面冻结指数分别以-5.07和-5.04℃·d/a的速度下降,大气融化指数和地面融化指数分别以7.63和11.89℃·d/a的速度上升。大气/地面冻融指数的空间分布上均呈现出纬向趋势,但是在北部山区海拔的影响大于纬度。多年冻土主要分布在北部的大、小兴安岭,零星分布在中部山区,1970-2010s多年冻土的南界向北移动约2°左右,多年冻土的总面积从1970s的11.1万km^(2)缩减为2010s的6.53万km^(2),冻土分布与气温、地表温度和气温冻结指数的相关性最大,其空间分布与纬度和海拔有较强的相关性。研究结果对分析黑龙江省以及整个东北地区高纬度多年冻土退化的趋势具有重要意义,也可为冻土区自然冷资源开发、生态保护和工程建设等提供参考。 展开更多
关键词 黑龙江省 冻融指数 多年冻土 时空分布 冻土退化
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大兴安岭北部多年冻土区主要交通基础工程冻融灾害考察研究进展(Ⅰ):融沉灾害 被引量：4
9
作者 王文辉 车富强 +16 位作者 金会军 李善珍 唐建军 李向龙 翟金榜 张泽 黄帅 薛广垠 陈思宇 王永平 肖子旺 金晓颖 杨雪 周刚义 陈敦 李国玉 李安原 《冰川冻土》 2025年第2期354-371,共18页
作为东北多年冻土典型区,在气候变化和人类活动的共同影响下,大兴安岭山区多年冻土广泛快速退化,并导致了冻融灾害的频发。为系统地掌握该区工程融沉灾害分布及冻土退化情况,我们采用电阻率层析成像(electrical resistivity tomography,... 作为东北多年冻土典型区,在气候变化和人类活动的共同影响下,大兴安岭山区多年冻土广泛快速退化,并导致了冻融灾害的频发。为系统地掌握该区工程融沉灾害分布及冻土退化情况,我们采用电阻率层析成像(electrical resistivity tomography,ERT)、浅层测温(0~2 m)和无人机航测等方法于2023年8—9月开展了大兴安岭多年冻土区融沉灾害调查。结果表明,沥青路面下融沉长度和融沉量最大且以路基融沉(包含路基倾斜和波浪路面)为主;混凝土路面以长大深纵裂为主,而林区铁路和中俄原油管道(China-Russia Crude Oil Pipelines,CRCOPs)以管基和施工运营作业带(right-of-way,或ROW)融沉和热喀斯特为主。融沉灾害地理分异特征明显:融沉灾害多发现于地势平坦且冻土保存条件较好的位置,融沉灾害的年平均地温与坡度呈正相关关系,且破坏长度与坡度呈负相关关系。阳坡的融沉灾害平均破坏长度大于阴坡破坏长度。低纬度的融沉灾害平均破坏长度大于高纬度破坏长度。年平均地温较低的草甸土和森林土的融沉灾害平均破坏长度大于年平均地温较高的暗棕壤融沉灾害的破坏长度。融沉灾害对交通工程设施地基基础的安全运营造成了威胁:CRCOPs I和II线(漠河-大庆段)对多年冻土的热影响范围在水平方向大于伴行公路(如G111部分路段)的相应范围,垂直(深度)方向两者热影响范围相似。初步分析表明,交通基础设施施工运行以及局部微地形地貌(如阴阳坡和坡脚积水积雪)分异是融沉灾害的重要诱发因素。野外实践表明,探针式数字温度仪是开展浅层地温测量的实用工具,具有测量快速、操作便捷、经济高效等显著优势。但是,本次调查研究存在着覆盖范围、冻融灾害类型不够全面和相关监测内容不够细致全面、时间序列较短等问题。研究成果可为东北冻融灾害的监测和治理提供基础数据,同时为东北多年冻土区工程建设和后期维护提供多要素数据。 展开更多
关键词 大兴安岭 冻土退化 冻融灾害 电阻率层析成像(ERT) 无人机(UAV)
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北疆阿尔泰山地区融雪期季节冻土冻融状态研究 被引量：2
10
作者 张晓慧 汤萃文 +3 位作者 张伟 沈永平 贺斌 毛炜峄 《冰川冻土》 2025年第1期71-84,共14页
积雪是北疆地区季节冻土冻融循环的主要控制因素,季节冻土又通过改变浅层土壤的冻融相态来影响积雪融水的下渗,但该地区消融季浅层土壤的冻融状态并不清楚,致使难以从机理层面准确评估积雪和冻土协同对土壤水分的调节作用。为此,本研究... 积雪是北疆地区季节冻土冻融循环的主要控制因素,季节冻土又通过改变浅层土壤的冻融相态来影响积雪融水的下渗,但该地区消融季浅层土壤的冻融状态并不清楚,致使难以从机理层面准确评估积雪和冻土协同对土壤水分的调节作用。为此,本研究基于1961—2011年阿尔泰山地区6个气象站点的积雪与冻土地面监测数据,应用高斯模型和玻尔兹曼模型进行分析,在划分多雪年、少雪年和正常年的基础上,分析了北疆地区积雪和季节冻土的基本特征,详细探讨了消融期浅层土壤的冻融状态。结果表明,该地区各站点的多年平均积雪持续期为123.2 d,多年平均最大雪深为29.7 cm;季节冻土多年平均冻结期为150.9 d,平均最大冻结深度为120.3 cm。总体上,积雪呈现增加趋势,主要表现为雪深的增加;而冻土则呈现退化趋势,主要体现在冻结期缩短和最大冻结深度减少。不同类型积雪年冻土融化结束时间和积雪消融结束时间的对比分析显示,70%的多雪年和60.5%的正常年冻土融化结束时间分别比积雪消融结束时间早8.2 d和5.5 d;而少雪年冻土融化结束时间则比积雪消融结束时间晚13.2 d。总体上,所有站点的结果表明,随着积雪的增加,消融期季节冻土处于融化状态的概率也将显著增加,积雪融水对土壤水分的补给能力增强,这将导致积雪融水在土壤中的滞留时间延长,积雪-冻土的这种协同机制将显著影响积雪融水的入渗并改变积雪水文的产汇流过程,使更多的积雪融水补给土壤,并加强融雪水与地下水的交换,有利于干旱区积雪融水的有效利用。 展开更多
关键词 北疆阿尔泰山 积雪融水 季节冻土 冻融状态 土壤水分
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基于改进水热耦合模型的冻土边坡稳定性数值模拟 被引量：6
11
作者 韩炳鑫 尹超 +2 位作者 袁维 王文 王伟 《冰川冻土》 2025年第2期417-429,共13页
冻融作用下边坡的失稳垮塌是冻土区工程建设的重要病害。为探讨和分析西南地区季节冻土区边坡失稳的成因和稳定性变化规律,本文以巴塘地区季节冻土区边坡为研究对象,采用理论分析、数值模拟和室内试验相结合的研究方案,在冻土水热耦合... 冻融作用下边坡的失稳垮塌是冻土区工程建设的重要病害。为探讨和分析西南地区季节冻土区边坡失稳的成因和稳定性变化规律,本文以巴塘地区季节冻土区边坡为研究对象,采用理论分析、数值模拟和室内试验相结合的研究方案,在冻土水热耦合模型中采用考虑未冻水和孔隙冰赋存状态的负温区渗透系数模型。通过直剪试验,进一步得到了边坡重塑土的抗剪强度参数变化规律。基于冻土水热耦合效应,采用COMSOL有限元软件进行二次开发,将边坡坡高设为10 m,坡比为1∶1.5,坡顶和坡底分别向两侧延伸50 m和60 m,坡底向下延伸10 m,建立边坡稳定性计算模型,分析土体冻融过程中由于抗剪强度参数变化而引起的边坡温度场、渗流场变化规律及边坡失稳垮塌机理。结果表明,通过与一维土柱试验值对比,渗透系数经修正后的水热模型计算值相较实际值误差更小,验证了模型的准确性。距边坡表面1 m深度内温度变化幅度很大,1—3月气温持续较低且边坡内部深处温度相对较高,随深度增大土体温度单调升高;4—9月边坡表层升温比边坡内部快,内部深层土体保持相对较高的温度,随深度增大坡体温度呈先降低后升高的趋势;10—12月表层温度下降速度比内部快,且边坡深处温度相对稳定,随深度增大坡体温度呈先升高后降低的趋势。纵向深度超过2.5 m的土体渗流场变化很小,11月至次年3月,边坡表层先开始冻结,含水量下降,但内部水分迁移能力有限,迁移到冻结界面的水量少,随着边坡深度增大含水量呈先减后增的趋势;4—6月,融化期边坡表面以下浅层土体融化,含水量随深度增大整体减少;7—10月,随着边坡深度增大含水量呈先增后减的趋势。3月边坡土体含水量随深度变化得最剧烈,由于边坡表层土体融化后,表层以下仍处于冻结状态,此时冻结层以上水分无法及时排出,边坡稳定性最低,安全系数仅为1.59。因此,季节冻土边坡失稳垮塌的机理为:融化期边坡冻融交界面以下土体处于冻结状态,而边坡表层水分无法及时下渗排出以至于达到过饱和状态,导致冻融交界面土体摩擦力降低,从而导致滑塌。通过考虑土体强度参数动态改变计算边坡的稳定性,受冻土融化、雪水入渗的影响,冻融交界面土体强度衰减最剧烈,滑塌主要发生在坡面下1.2 m以内,属于浅层滑坡,滑动面为相对平直的弧形,失稳模式主要为滑塌失稳。研究结果可为西南地区边坡的设计与灾害防治提供一定参考,特别是在季节冻土区的工程建设中具有重要的实际意义。 展开更多
关键词 冻土 水热耦合 失稳垮塌 边坡稳定性
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冻融循环条件下MICP技术自修复能力研究 被引量：2
12
作者 康博 查甫生 李杰 《工程地质学报》 北大核心 2025年第4期1271-1279,共9页
微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术可有效固化重金属污染土,复杂的外界环境会影响固化土的耐久性。本文通过开展无侧限抗压强度试验与细菌活性试验,重点研究了冻融循环作用对MICP固化铅污染土强度特性及自修复能力的影响,揭示了强度与自... 微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术可有效固化重金属污染土,复杂的外界环境会影响固化土的耐久性。本文通过开展无侧限抗压强度试验与细菌活性试验,重点研究了冻融循环作用对MICP固化铅污染土强度特性及自修复能力的影响,揭示了强度与自修复能力之间的关系及微观作用机理。试验结果表明:随着冻融循环次数的增加,土体的高度与直径有所增大,但未产生裂隙,土体的无侧限抗压强度逐渐降低并趋于稳定;10次冻融循环作用后,巴氏芽孢杆菌仍具有一定的自修复能力,可继续固化土体,但活性较低。冻融循环过程中,巴氏芽孢杆菌可通过自修复再次产生碳酸钙沉淀,弥补一部分的强度损失,使得土体的无侧限抗压强度损失率较小。 展开更多
关键词 重金属污染土 微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP) 冻融循环 自修复 强度特性
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多年冻土区热喀斯特湖水—热—碳循环过程研究进展 被引量：1
13
作者 陈梦佳 白炜 +2 位作者 张成铭 刘文艳 高泽永 《地球科学进展》 北大核心 2025年第1期82-98,共17页
热喀斯特湖作为多年冻土响应气候变暖最显著的冰冻圈地貌之一,其形成演化过程深刻影响着生态环境变化、区域水文循环及生物地球化学过程,并危害冻土工程稳定性。通过综述北半球多年冻土区热喀斯特湖形成演化、水文循环、热量迁移及生态... 热喀斯特湖作为多年冻土响应气候变暖最显著的冰冻圈地貌之一,其形成演化过程深刻影响着生态环境变化、区域水文循环及生物地球化学过程,并危害冻土工程稳定性。通过综述北半球多年冻土区热喀斯特湖形成演化、水文循环、热量迁移及生态环境效应和工程影响的研究进展,发现在环北极不连续多年冻土区,多数区域的湖塘面积呈减少趋势;在连续多年冻土区,湖塘面积的增加和减少均有发生,而青藏高原区域气候暖湿化导致热喀斯特湖快速形成和扩张。同时,热喀斯特湖演化耦合水文循环过程及产生的热效应会改变周围土壤理化性质,影响高寒生态系统的水热过程,并降低毗邻冻土工程的稳定性。热喀斯特湖发育加速多年冻土碳库分解,释放CO_(2)、CH_(4)和N_(2)O等温室气体,并反馈于气候变化系统。目前,热喀斯特湖“水—热—碳”循环过程及环境效应是国际冻土研究的热点议题之一。未来需综合考虑人类活动及气候变化的协同作用,并基于热喀斯特湖水—热—碳循环耦合过程,发展高精度陆面过程模型,研究变化环境下多年冻土区生态环境演替、水资源变化及碳循环等问题,推动冰冻圈科学发展。 展开更多
关键词 北半球 热喀斯特湖 多年冻土 碳循环 气候变化
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考虑蠕变特性的多冷媒非均质人工冻结壁黏弹性分析 被引量：1
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作者 梁秀玲 王彬 +2 位作者 张子浩 杨炳瑶 吴嘉骏 《冰川冻土》 2025年第1期163-178,共16页
为构建适用于富水地层多圈管冻结的非均质人工冻结壁力学模型以及合理分析该类冻结壁的安全性与稳定性,需研究考虑多冷媒非均质人工冻结壁在黏弹性状态下的受力和变形特性。选取距离冻结温度场主面1/4管距处的特征截面,将“盐水-二氧化... 为构建适用于富水地层多圈管冻结的非均质人工冻结壁力学模型以及合理分析该类冻结壁的安全性与稳定性,需研究考虑多冷媒非均质人工冻结壁在黏弹性状态下的受力和变形特性。选取距离冻结温度场主面1/4管距处的特征截面,将“盐水-二氧化碳”联合冻结的非均质冻结壁温度场等效为“三段一次函数”分布。考虑冻结壁内部土体在挖掘过程中的卸载效应,以及冻结壁与周边未冻结土体之间的相互影响,基于黏弹性理论、Mises型增量法则以及Newton Cotes数值积分技术,推导出非均质冻结壁的应力、应变和位移计算公式,并将该公式的计算结果与均质冻结壁的计算结果进行对比分析。分析结果表明:在本算例中,冻结壁卸载初期到井壁完成施工的36 h内,非均质与均质冻结壁的径向位移和应变由内到外均呈现非线性衰减趋势,最大位移、应变发生在冻结壁的内侧;随着时间的推移,冻结壁的井帮位移和外壁位移随着蠕变时间的增加而增加,但增长速率逐渐减小,进入稳态蠕变阶段;考虑蠕变特性及其卸载效应,作用在冻结壁上的外荷载小于土体的初始水平应力,而且,外荷载随着空帮时间的增大而减小,最终趋于稳定;对应相同的时刻和埋深,非均质冻结壁所承受的外荷载大于均质冻结壁,而非均质冻结壁的应变和位移小于均质冻结壁。该研究成果可为富水地层多冷媒联合冻结帷幕的设计提供重要的理论依据和参考。 展开更多
关键词 人工地层冻结 非均质冻结壁 多冷媒联合冻结 开挖卸载 黏弹性 蠕变
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基于地理统计与系统动力学的多年冻土活动层厚度模拟研究
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作者 俞阳 闵雪峰 +2 位作者 赵锐 孟祥连 李传松 《生态科学》 北大核心 2025年第2期20-30,共11页
全球气候变暖引起青藏高原多年冻土活动层厚度增加,冻土退化问题日趋严峻,潜在威胁当地生态环境和寒区基础设施安全。多年冻土活动层厚度(ALT)精准模拟有助于制定缓解气候变化对冰冻圈的影响方案。通过耦合地统计与系统动力学方法构建了... 全球气候变暖引起青藏高原多年冻土活动层厚度增加,冻土退化问题日趋严峻,潜在威胁当地生态环境和寒区基础设施安全。多年冻土活动层厚度(ALT)精准模拟有助于制定缓解气候变化对冰冻圈的影响方案。通过耦合地统计与系统动力学方法构建了ALT计算模型,突破了SD与GIS在广域范围内的数据桥接问题,同时实现了ALT计算精度的提高和时空可视化。以青藏铁路可可西里-安多站沿线为研究区,模拟结果表明ALT模拟精度达95%以上,该区域ALT的年增幅为0.005 m·a^(–1),同时指出气候变化和人为扰动均是引起冻土活动层退化的决定因素。 展开更多
关键词 多年冻土 活动层厚度 系统动力学 动态数据交换
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青藏高原2003—2022年土壤冻融时空变化及驱动因子定量分析
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作者 张晓龙 赵尚民 李姝贞 《地球信息科学学报》 北大核心 2025年第3期716-731,共16页
【目的】土壤冻融过程是青藏高原生态系统和气候变化的敏感指示因子,研究其时空变化特征对揭示该地区气候变化及其生态响应具有重要意义。【方法】本文基于2003—2022年的ERA5-LAND地表温度数据,通过Theil-Sen斜率估计法和Mann-Kendall... 【目的】土壤冻融过程是青藏高原生态系统和气候变化的敏感指示因子,研究其时空变化特征对揭示该地区气候变化及其生态响应具有重要意义。【方法】本文基于2003—2022年的ERA5-LAND地表温度数据,通过Theil-Sen斜率估计法和Mann-Kendall检验法分析了土壤冻结起始时间、冻结结束时间、冻结持续时间和冻结天数在青藏高原的时空变化特征,并结合地理探测器分析冻融参数空间分异的主导因素,最后使用相关性分析法分析冻融参数与主要驱动因子的相关性。【结果】(1)青藏高原土壤冻融过程整体呈现出冻结起始时间由西北向东南推迟的趋势,冻结结束时间、冻结持续时间和冻结天数与此相反,冻结天数显著缩短区域像元面积占比为74.05%;(2)土壤冻融4种参数在不同区域随时间变化显著,多年冻土区冻结起始时间和冻结天数变化速率最快,分别推迟12.7 d和缩短20.4 d;(3)气温是青藏高原区冻结天数空间分异的主导因子,降水和NDVI也有重要作用,任意两种因子交互作用均大于单一因子作用,以气温与其他因子在不同区域的解释力最为显著;(4)在青藏高原区4种参数与气温变化显著相关,与降水和NDVI没有呈现明显相关性;不同海拔下4种参数呈现明显梯度差异,随海拔升高,冻结起始时间提前,结束时间推迟,持续时间和冻结天数延长。【结论】研究结果为进一步理解土壤冻融过程与气候变化的关系提供了数据支撑,并为青藏高原地区的生态环境变化监测及预测提供理论依据。 展开更多
关键词 土壤冻融 时空变化 多年冻土 驱动因子 青藏高原 地理探测器 气温
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北极海底冻土变化特征与温室气体研究进展
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作者 谢思敏 杜志恒 +6 位作者 王磊 严芳萍 崔浩 陶长廉 杨佼 吴通华 效存德 《地球科学进展》 北大核心 2025年第4期360-373,共14页
海底多年冻土是冰期—间冰期海平面变化过程中陆地多年冻土被海水淹没而形成的,主要分布于北极大陆架区域,其分布范围存在很大的不确定性(面积为1.0×10^(6)~2.7×10^(6)km^(2))。作为地球系统重要的碳库,海底多年冻土储存着大... 海底多年冻土是冰期—间冰期海平面变化过程中陆地多年冻土被海水淹没而形成的,主要分布于北极大陆架区域,其分布范围存在很大的不确定性(面积为1.0×10^(6)~2.7×10^(6)km^(2))。作为地球系统重要的碳库,海底多年冻土储存着大量有机碳和甲烷(CH4)。在全球变暖的背景下,特别是在北冰洋海水温度升高的背景下,海底多年冻土的快速退化可能导致碳释放风险加剧,进而影响全球碳循环与气候变化。东西伯利亚海底多年冻土区已经观测到了CH4向大气释放的现象。然而,关于海底多年冻土退化速率、碳库规模、温室气体释放量及其机制的研究仍较为有限。值得注意的是,随着北极地区气候快速变暖、北大西洋暖流的北向扩张和增强引发的北冰洋大西洋化的进程加剧,以及人类活动的持续增加,使得北极海底冻土CH4加速排放造成的气候风险加大,对未来人类可持续发展的影响将愈发显著。基于此,系统总结了北极海底多年冻土的空间分布特征、退化速率及其碳储量,综述了定点、航测和遥感卫星等方法在海底多年冻土区CH4监测与排放特征研究中的应用,探讨了CH_(4)排放的影响因素,强调了北极海底冻土变化特征及其碳循环研究对全球气候变化的重要意义。同时,提出未来研究应结合多种监测方法、加强国际合作、构建综合监测体系,并充分考虑陆地与海洋因素的协同作用,以此深化对北极海底多年冻土区碳循环及其气候效应的理解。 展开更多
关键词 北极海底多年冻土 冻土退化 CH4排放 碳储量 气候变化
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基于细观孔隙的高温冻土蠕变变形试验研究
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作者 郭焕明 张虎 +2 位作者 刘枫 丑亚玲 郑波 《地下空间与工程学报》 北大核心 2025年第5期1613-1620,共8页
高温冻土在长期荷载作用下易发生蠕变变形,为探究其内部孔隙结构对高温冻土蠕变变形的影响,对高温冻土开展了不同温度、干密度和轴向应力下的静三轴蠕变试验,同时也对蠕变试验结束后的风干三轴试样进行了CT扫描及孔隙提取处理。结果表明... 高温冻土在长期荷载作用下易发生蠕变变形,为探究其内部孔隙结构对高温冻土蠕变变形的影响,对高温冻土开展了不同温度、干密度和轴向应力下的静三轴蠕变试验,同时也对蠕变试验结束后的风干三轴试样进行了CT扫描及孔隙提取处理。结果表明:通过Avizo对CT扫描图片进行3D建模和孔隙提取,采用3种不同方法对提取孔隙进行孔隙等效分析后发现,球体等效误差最小,因此选择球体等效进行细观孔隙分析,并将孔隙分为0~200μm、200~500μm、500~1000μm、>1000μm共4类;在所给试验条件下,试样孔径主要分布在200~500μm区间内,而蠕变变形量与孔径>500μm孔隙数目呈正相关关系;蠕变变形随着温度的升高、干密度的减小和轴向应力的增大而增大,且温度、干密度和轴向应力都会对高温冻土蠕变变形和孔径>500μm的孔隙数目产生显著的影响;试样内部孔径>500μm的孔隙数量随着温度的升高、干密度的减小和轴向应力的增大而增加。 展开更多
关键词 高温冻土蠕变 变形 细观孔隙 大孔径孔隙
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考虑土壤水热变化的冻土活动层厚度反演模型构建及应用 被引量：1
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作者 张德龙 魏冠军 《地球信息科学学报》 北大核心 2025年第3期750-765,共16页
【目的】干涉合成孔径雷达测量(InSAR)技术近年来被广泛用于反演活动层厚度(ALT),然而现有研究较少考虑冻融对地表形变和土壤孔隙水热变化的影响,因此,本文构建了考虑土壤水热变化的ALT反演模型。【方法】使用InSAR技术和CNNBiLSTM-AM... 【目的】干涉合成孔径雷达测量(InSAR)技术近年来被广泛用于反演活动层厚度(ALT),然而现有研究较少考虑冻融对地表形变和土壤孔隙水热变化的影响,因此,本文构建了考虑土壤水热变化的ALT反演模型。【方法】使用InSAR技术和CNNBiLSTM-AM模型得到地表参数,顾及冻融驱动下活动层的变形和土壤孔隙及水分的变化构建了活动层厚度反演模型。首先,通过SBAS-InSAR技术提取研究区垂直向地表形变。然后,构建CNN-BiLSTM-AM模型,使用卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)对多源遥感数据特征提取,采用双向长短期记忆网络(Bi-directional Long Short-term Memory,BiLSTM)对提取特征进行预测,添加多头自注意力层(Attention Mechanism,AM)提高模型对关键信息的提取,得到多特征约束下的土壤含水量预测值。最后,以垂直向地表形变作为表征活动层的主要参数,构建基于土壤孔隙比和土壤含水量的活动层厚度反演模型,得到兰新高铁冻土区活动层厚度的时空分布。【结果】模型估计值与俄博岭实测数据验证的RMSE为0.065m,与2018—2020年青藏高原活动层变化数据验证的RMSE分别为0.697、0.639和0.776 m,结果表明模型具有较高的精度。【结论】本文方法为监测多年冻土区活动层厚度提供了新的思路。 展开更多
关键词 多年冻土区 活动层厚度 INSAR 深度学习 土壤孔隙比 土壤含水量 CNN-BiLSTM-AM 兰新高铁
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多因素耦合驱动下黑土冻融过程水热迁移及变形特性研究
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作者 徐智超 马敏 +4 位作者 陈匀杉 单炜 邓超 吴宽 计静 《土壤》 北大核心 2025年第5期1152-1167,共16页
东北黑土区作为我国重要的商品粮基地,其土壤冻融过程的水热迁移与变形特征直接影响区域粮食安全与生态稳定性。本研究通过室内单向冻融试验、扫描电镜观测及热–水–变形多场耦合模型,系统揭示了多因素驱动下黑土冻融的协同机制。结果... 东北黑土区作为我国重要的商品粮基地,其土壤冻融过程的水热迁移与变形特征直接影响区域粮食安全与生态稳定性。本研究通过室内单向冻融试验、扫描电镜观测及热–水–变形多场耦合模型,系统揭示了多因素驱动下黑土冻融的协同机制。结果表明:未补水条件下,土体升温呈现滞后性与阶段性,表层相变过冷度达1.2~2.5℃;主动补水可提升上层温度2~4℃,冻深缩减28%~35%,削弱地表负温效应。同时,冻结阶段水分场重分布呈“S”型,未冻水含量自上而下递减,融化阶段趋势反转。冻融循环显著改变微观结构,30次循环后孔隙率增长21.62%~546.47%,团聚体破坏率高达99%,且高含水量(>32.3%)样本更易受冻胀作用影响。此外,构建的多场耦合模型(温度与含水量相关系数>0.9)精准预测了冻融响应,揭示了表层草炭黑土冻胀主导、中层渗透差异调控热传导、深层刚性骨架抑制变形的分层机制,建议通过秸秆覆盖、排水措施及低含水量耕作制度提升土壤稳定性。研究成果为黑土区冻融侵蚀动态监测体系构建及保护性耕作优化提供了理论与技术支撑。 展开更多
关键词 冻融循环 黑土 水热迁移 宏微观变形 多场耦合模型
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