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正冻土冻结缘研究现状及展望 总被引：1，自引：0，他引：1
湿土冻结过程中, 生长发育于冰透镜体与冻结锋面之间特殊的区间带称为冻结缘带。冻结缘作为温度场、 水分场和应力场三场耦合作用的结果, 是冰分凝的水源补给站, 冰水相变发生的剧烈区域以及水分迁移的必经之路, 具有重要的研究意义, 也是深入认识冻胀机理的基础。通过系统地阐述冻结缘的形成过程、 相关理论与试验、 微结构特征、 参数特征及冻结缘的模型构建等5个方面的研究进展及成果, 结合各个方向的发展趋势提出了冻结缘研究的重点, 即对冻结缘的研究应回归到试验研究, 利用新型测试技术深入对冻结缘微结构的观测, 结合物理参数及结构性参数变化构建耦合的冻结缘模型, 从而揭示其热力学机理, 为冻胀机制分析、 冻土精确预报提供理论支撑。 相似文献
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在深厚表土中进行冻结法施工常产生由于冻胀应力造成的冻结管断裂, 为减小深井冻结壁在形成过程中产生的内部冻胀应力, 采取外圈辅助冻结孔滞后于主圈孔冻结的施工方案, 能有效地防止冻结管断裂. 应用有限元方法对淮南某煤矿主井冻结井筒分期冻结过程进行了瞬态温度场数值模拟, 和现场实测十分接近. 分期冻结方案能减少冻结壁内部水分聚集, 以达到减少冻胀应力的目的, 并形成相对比较均匀的温度场. 相同冻结条件下采用分期冻结方案, 冻结壁有效厚度增大约15%. 数值模拟的系统分析可为深井冻结壁的设计与施工提供科学依据. 相似文献
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冻融条件下浅层黄土中温度与水分的空间变化相关性 总被引：2，自引：0，他引：2
黄土高原是西北典型的季节性冻土区,在黄土斜坡冻结和融解过程中土体内的温度、水分变化显著,导致土体中含水量及地下水位发生相应的变化,诱发一系列的滑坡、崩塌等地质环境问题。选择甘肃永靖县黑方台黄土斜坡为研究区,原位监测冻结至融解过程中黄土的温度和含水量,研究冻融条件下黄土斜(边)坡冻结层温度和水分及变化特征及其关系。结果表明,本次监测点黄土冻结深度为52cm,黄土剖面温度表现为3个特征带:温度稳定传递带、温度变动带、温度交替显著带。温度在黄土斜(边)坡冻融过程中对水分具有控制性作用,含水量随温度变化划分为3个阶段:1小于2℃,含水量随温度呈现非线性递增趋势;22~6℃,含水量随温度呈现波动性下降;3大于6℃,水分由小幅增加直至稳定,温度影响权重减小。随着冻结土层完全融解,被冻结水分融解后向下运移,最终导致剖面含水量急剧增加,因此,冻结至融解过程中含水量发生急剧增加,是导致浅层黄土滑塌的重要因素。 相似文献
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冻融期土壤水盐变化特征分析——以黑河上游祁连县阿柔草场为例 总被引：3，自引：1，他引：2
冻融作用是土地盐碱化的形成机制之一,对冻融区春季积盐有明显的控制作用.在冻融过程中,土壤剖面结构发生变异,形成冻结层、似冻结层和非冻结层.以祁连山黑河上游阿柔草场为例,研究了解冻期土壤水盐运移变化特征.阿柔草场隶属青海祁连山地区,地处西北高寒地区,为季节性冻土区,大面积土壤经历冬冻春融的冻融循环.这种循环引起了土壤中水分和盐分运移的特殊规律,即冻结时土壤中的水分和盐分向冻层迁移,使得冻层的土壤含盐量明显增加;而融化时,由于地表蒸发,土壤中的水分和盐分又向地表强烈迁移,从而造成盐分在地表积聚,诱发盐分两次抬升. 相似文献
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为了揭示路基冻结过程中地下水和土性对水分迁移规律的影响,针对开放体系和封闭体系的粉质黏土和砂土进行了单向冻结条件下的水分迁移试验。通过土柱上层位置设置碎石层,阻断液态水迁移路径,监测冻结过程中土柱的水热变化,结合土柱冻结深度、冻结速率曲线、含水率分布曲线和补水时程曲线,分析仅水汽补给时对土柱顶部水分聚集和冻结特征的影响。试验结果发现,无论是封闭体系还是开放体系,粉质黏土和砂土土柱都会在冻结区中形成两处水分聚集区:第一水分聚集区为控温板底部,以霜的形式聚集,主要是由土柱顶部土体的水汽迁移并凝华相变形成;第二水分聚集区为冻结区中液态水和气态水共同迁移形成,随着冻结锋面的向下推移,形成不连通孔隙的界面,液态水向0℃冰锋线迁移聚集并相变成冰,水汽迁移路径受阻而凝华成冰,致使该处含水率显著增加。相较于封闭体系,开放体系使两处水分聚集区产生更大的水分增量。相比于粉质黏土,砂土介质孔隙较大,在试验时间内水汽补给对水分聚集区的影响更明显,但由于砂土持水能力减弱,水汽补给速率随时间逐渐减小。 相似文献
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单向冻结时土颗粒位移的热筛效应及对流迁移 总被引：5，自引：5，他引：5
自然界中不同粒径上颗粒的随机组合造成土体中孔隙分布的随机性。土体冻结时，由于不同孔径中水分势能的差异，导致孔隙不冻结在时间上的有序性，即在相同温度下，粗大孔隙中水分首先冻结，然后逐渐向细小孔隙发展。水分冻结体积膨胀，从而引起粗颗粒土向上抬升，称为热筛效应。 相似文献
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西北地区沙丘凝结水形成机制及对生态环境影响初步探讨 总被引：17，自引：1，他引：17
西北地区沙漠及荒漠化地区，包气带的水分来源除来自大气降水外，还来自凝结水，凝结水对包气带中水分的保存、运移及荒漠植被生态起到至关重要的作用。作者在甘肃省河西走廊高台县西的流动沙漠边缘的半固定沙丘上，采用TSCⅡ智能化土壤水分快速测试仪，SN2202数字温度计、CENTER1300相对湿度仪进行了凝结水观测试验。对沙丘表层0～30cm范围内的气温、地表温度、地温和含水量进行连续观测，每2h观测一次，试验历时5d。试验结果表明，在西北沙漠、荒漠化地区有凝结水存在，它的形成不仅对包气带中水分的保存及分布起着重要的作用，并且对维系荒漠化地区的植被生态系统的稳定至关重要。并对凝结水形成机制进行了初步探索；初步确定，日气候变化造成的地表温度与地温温差是凝结水形成的主控因素，包气带中的含水量分布则控制着凝结水的多寡，凝结水主要出现在干沙层与湿润砂层界面上。 相似文献
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试论在我国北方应用零通量面法计算浅层地下水补给量问题 总被引：1，自引：0，他引：1
张光辉 《水文地质工程地质》1988,(2)
在我国北方地区,冬季,气候寒冷,气温均在0℃以下,包气带上部水分发生冻结,岩土水分呈固体状态。一般情况下,从11月中旬开始进入冻结期,持续到来年的3月中旬,时间长达四个月之久,甚至更长一些时间。冻土深度由东北地区的1.5米到华北地区 相似文献
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辽西地区冻风积土水分迁移特征的研究 总被引：1，自引：0，他引：1
对辽西地区的风积土进行了冻结过程的水分迁移试验,获得了含水量随温度和时间的变化规律;基于连续介质力学和热力学理论,建立了冻结过程中水分迁移的动力学模型,并采用差分解法进行了数值模拟分析;借助于扫描电镜从微观上研究了冻结过程中试样内部土颗粒的排列变化,从而揭示风积土的水分迁移特征。研究结果表明：时间和温度决定了水分迁移的充分性,温度的变化随深度的增加而具有衰减性,并且在冻结峰面附近形成一个冻结含水量峰值;在靠近顶端的一定深度内,冻结后的含水量并没有持续增加,反而有减小的趋势;通过扫描图像可以看出,土颗粒的重新排列直接反映了水分迁移的状态。 相似文献
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季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化 总被引：6，自引：2，他引：4
利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显. 相似文献
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季节冻土地区人工冻土墙的冻结特性研究 总被引：2，自引：1，他引：1
季节冻土层中的地温呈非线性分布,改变了冻土墙形成时的初始温度条件以及形成后的结构形式。有季节冻土条件下形成深6 m、厚1.4 m的冻土墙较无季节冻土的情况可减少冻结时间15 d,减少冷能消耗60 %,经济上有极大优势。通过数值模拟,得到了能量消耗与时间关系曲线、冻结管热流密度与深度关系曲线、冻土墙的厚度与时间关系曲线、冻土墙的厚度与深度关系曲线等,可见季节冻土层的存在显著提高了冻土墙的厚度发展速度,减少了冻结时间,降低了冷能消耗。模拟了49种工况,对冻结管直径、冻结管间距、冻结时间、冻土墙平均温度、冻土墙厚度等数据进行了非线性回归分析,得到冻土墙厚度与时间成对数函数关系、平均温度与时间成反比例关系的相关表达式,为人工冻结技术的合理运用和推广提供了理论依据。 相似文献
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冻结滞水效应及其促滑机理
——以甘肃黑方台地区为例 总被引：1，自引：1，他引：0
冻融期地质灾害的不断发生,愈来愈引起社会关注并被更多的学者所重视,甘肃黑方台地区冬春交接时期滑坡频发,是研究季节性冻融作用的首选之地.为了探索是否存在冻结滞水效应,揭示冻融作用诱发滑坡灾害机理,建立了气温、地温和地下水位动态等协同观测网.监测数据显示:黑方台地区存在季节性冻融现象,可划分为冻结期(秋冬)、完全冻结期(冬)、冻融期(春夏)、融化期(夏秋)的年季循环过程,也存在昼夜气温变化引起的循环冻融过程;斜坡中段冻结引起的地下水位上升了1.0m,证实了冻结滞水效应的存在.地下水模拟结果表明,冻结滞水引起斜坡坡脚水位壅高幅度超过3m,水平影响距离达到30m以上.冻结前坡体稳定系数为1.19;冻结后仅考虑冻结滞水效应引起的地下水位上升,稳定系数减小到1.09;反复冻融后,考虑黄土强度降低因素,坡体稳定系数降至0.97,说明冻结滞水效应和循环冻融的双重作用是滑坡在春季频发的根本原因. 相似文献
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祁连山区黑河流域季节冻土时空变化研究 总被引：3，自引：0，他引：3
季节冻土的时空变化对地—气水热交换、地表能量平衡、地表水文过程、生态系统及碳循环等有着非常重要的影响.利用黑河流域11个气象站40多年的气温数据和5 cm深度处的土壤温度数据,建立了月平均气温与土壤冻结天数之间的关系.同时应用月平均气温与冻结天数的相关关系和5 km网格化月平均气温及30 m分辨率的DEM数据,编制了黑河流域逐月季节冻土分布图,并按其空间分布特征,将逐月地表冻融状态划分为:完全冻结、不完全冻结和不冻结3种.系统研究了黑河流域2000-2009年逐月季节冻土分布及冻结概率的时空变化特征.在季节分配上,黑河流域完全冻结面积最大值出现在1月;不完全冻结面积最大值在11月;而不冻结面积最大值在6月和7月.在年际变化上,完全冻结状态的离差值在冷季变化大,暖季变化小;不完全冻结状态在一年的回暖期和降温初期,年际变化较大;不冻结状态分别在4月和10月变化较大.冻结概率在1月达到最大值,6月和7月降低到最小值.在空间分布上,黑河流域季节冻土的逐月分布与变化和冻结概率主要受海拔高度控制,纬度的影响次之. 相似文献
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海北高寒草甸的季节冻土及在植被生产力形成过程中的作用 总被引：22，自引：7，他引：15
海北高寒矮嵩草草甸区植被下的草毡寒冻雏形土属季节性冻土,因温度低,冻土在年内的每个月均可发生.一般在11月中旬可形成稳定的季节冻结层,至翌年3～4月冻土层厚度最大可达230cm.从3月下旬到4月中旬开始,土壤开始消融,至6月下旬到7月上旬冻土全部消失.分析发现,季节冻土在高寒草甸植被生产力形成过程中有着积极的影响作用,主要表现在:1)季节冻土的存在和维持将给高寒植物生长提供良好的土壤水分,对植物初期营养生长发育有利,可弥补春夏之交时降水不足所引起的干旱胁迫影响;2)季节冻土的长时间维持,有利于植物残体和土壤有机质留存于土壤,并随土壤冻结和融化过程发生迁移,可提高土壤肥力;3)较高的土壤水分有利于土壤胡敏酸的形成,可保证植物生长所需的其它有机元素的供给;4)冻土层所形成较高的土壤水分使土体热容量加大,从而调节因气候异常波动引起的土壤温度变化;5)季节冻土的变化对植物地上年生产量形成有一定的影响作用,表现出从10月或11月开始,土壤冻结速率快,对提高植物地上年生产量有利.这也证实,在未来气候变暖的趋势下,土壤有机质将加快分解速度,土壤水分因受温度升高、冻结期缩短,其贮存能力降低;受温度升高的影响,地表蒸发能力加大,若降水仍保持目前的水平,土壤水分将明显减少,将导致高寒草甸植被生产力有下降的可能. 相似文献
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为获得浅覆土下矩形冻结加固体的温度场分布及冻胀变形规律,以广州地铁6号线穿越3号线的冻结工程为原型,根据相似理论,设计进行了水平冻结的模型试验。结果表明,在地表散热的影响下浅埋冻结工程中紧邻地表的冻结区域降温速度较慢,形成的冻结壁是整个加固体的薄弱环节;冻结过程中冻结壁向内发展较快,其平均发展速度是向外发展速度的1.5倍左右;形成封闭的冻结壁前,采用较高的盐水温度进行冻结,可有效地控制土体的冻胀变形,冻结壁封闭后,降低盐水温度,冻胀变形会明显增加;冻胀过程中产生的冻胀力对上部土层有压密作用,使土层的冻胀变形随着埋深的变浅而减小;对于浅埋矩形地下冻结工程,上部覆土和冻结加固体之间相互影响作用明显,上部土层的散热会影响冻结加固体内温度场的分布规律,而下部冻土的冻胀作用也会压密上部土层。 相似文献
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深部膨胀性黏土层冻结温度场的分布与冻胀力形成规律 总被引：1，自引：1，他引：0
防止冻结管断裂是深部膨胀性黏土层在冻结壁形成过程中的一项亟待解决的课题。针对淮南矿区某矿副井深部膨胀性黏土层, 通过热力耦合计算分析, 研究了其冻结温度场分布与冻胀力形成规律。结果表明： 冻结152天、 236天时, 黏土层冻结壁平均温度分别为-14.42 ℃、 -16.58 ℃, 细砂层冻结壁平均温度分别为-15.86 ℃、 -17.32 ℃, 黏土层冻结壁平均温度比同时期细砂层高1.44 ℃、 0.74 ℃。黏土层冻结壁平均厚度分别为8.92 m、 10.25 m, 细砂层冻结壁平均厚度分别为9.54 m、 10.77 m, 黏土层冻结壁平均厚度比同时期细砂层小0.62 m、 0.56 m。细砂较膨胀性黏土易于冻结。冻结90天时, 黏土层外、 中、 内圈三圈冻结管平均冻胀力约为同时期细砂层的1.1倍。冻结151天时, 黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的81.1%, 是同时期细砂层的1.16倍。冻结236天时, 细砂层内圈管的冻胀力为3.91 MPa, 比中圈管3.72 MPa大了5.11%, 而黏土层内圈管的冻胀力为4.81 MPa, 比中圈管4.74 MPa大了1.48%。黏土层三圈冻结管围成的冻结壁内平均冻胀力均达到初始地应力的88.6%, 是同时期细砂层的1.28倍。深部膨胀性黏土层及与细砂层界面处冻胀力均存在显著的不均匀性, 最大冻胀力的主要位置与实际工程中掘进时的断管处基本对应, 不均匀冻胀力是造成冻结管断裂的重要原因。 相似文献
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Artificial freezing of ground by refrigerating machines requires considerable power and expense, so it is comparatively seldom applied and almost always for a short period. In the regions of severe climate, seasonal freezing and long-term preservation of low temperatures in a mass of frozen ground can compete in effectiveness and economy with the traditional methods of loose ground stabilization, quicksand and boggy—clayey deposits, in particular. In practice, different methods and systems are applied for freezing the ground using the cold atmosphere air as a heat-absorbing medium. Systems with forced pumping of the intermediate heat carrier or of the air itself are more economic than machine freezing, but they are unreliable and maintenance is very expensive.
Freezing devices using natural circulation of a single-phase and double-phase heat carrier in hermetically sealed cavities or thermosiphons permit effective control of the temperature regime of the ground in the seasonal and annual cycles of temperature variation of the ground and atmosphere air with the minimum operating expense.
The paper considers the operational features of freezing systems and different devices, and gives examples of the utilization of artificially frozen ground in hydraulic structures and in foundations of industrial buildings and dwelling houses. The possibility of creating artificially frozen masses used as foundations of the structures built in severe climatic regions is considered, and examples of the existing buildings constructed on the artificial lenses of frozen ground are given. 相似文献
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大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭湿地多年冻土活动层的水热特征进行了分析。结果表明：湿地多年冻土活动层内地温的变幅随深度减小,且具有滞后性。融化期地表温度高于深层地温,冻结期相反。2012年、2013年、2019年和2020年的平均融化速率分别为0.49、0.61、0.47和0.56 cm·d-1,向上平均冻结速率分别为1.34、2.12、2.58和1.65 cm·d-1。向下平均冻结速率分别为1.69、1.02、3.32和1.00 cm·d-1,最大融化深度分别为78.73、85.65、66.22和74.94 cm。2012年5月—2013年5月期间,土壤未冻水含量随地温变化的拟合关系较好,相关系数大于0.90,且深层拟合效果优于表层。融化期土壤水分变化幅度大,与地温的相关性差,随深度增加相关性减弱。湿地充足的水分为多年冻土的双向冻结提供了条件。研究成果可为大兴安岭湿地多年冻土区的冻融循环、水热耦合机理和模拟研究提供数据基础和理论依据。 相似文献