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文章编号:1000-0240(2008)02-0306-07冻结砂土的损伤试验研究 收稿日期:2007-06-11;修订日期:2007-11-12 基金项目:国家自然科学基金重点项目(40730736);中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX3-SW -351)资助 作者简介:金龙(1982—),男,甘肃榆中人,2005年毕业于西安交通大学,现为硕士研究生,主要从事冻土力学的研究. E -mail :jlcoolmail @金龙1,赖远明1,高志华2,李双洋1(1.中国科学院寒区旱区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室,甘肃兰州 730000;2.长安大学建筑工程学院,陕西西安 710061)摘 要:任何数值的荷载,都会导致冻土内部冰体塑性流动和冰晶体在土体内的重新定向,以及土颗粒的重新排列.这几方面的因素会使冻土产生微结构的损伤,同时表现出明显的各向异性.基于损伤力学理论,推导出冻土的各向异性损伤变量的表达式,利用-6℃冻结砂土的常规三轴试验数据,获得损伤变量的变化曲线。
结果表明:损伤变量随应变的增大而增大,呈现出双曲线的变化规律;径向损伤大于轴向损伤;围压有助于冻土结构的强化,减少冻土结构的损伤量.这些规律为利用损伤力学理论建立冻土的损伤本构关系提供了依据.关键词:冻结砂土;损伤;横观各向同性;变化规律中图分类号:P642.14文献标识码:A0 引言 冻土是由岩土颗粒、冰、未冻水和空气组成复合介质,它与融土的本质区别是冻土中冰的存在,土冻结后强度将提高很多倍,其中主要依赖于冻土粘聚力的大幅度提高,而冻土的粘聚力主要受冰控制[1-2].对冻土施加荷载后,将导致内部冰体的塑性流动,冰晶体的重新定向,以及土颗粒的重新排列,从而使冰的粘聚力下降,在土体内将会产生微裂纹,随着荷载的增大,最终导致土体的破坏.这一过程,可以看作是冻土体内部的损伤产生和发展的过程. 损伤理论,是将固体物理学、材料强度理论和连续介质力学统一起来研究材料的本构关系,解释材料的破坏机理,预估其剩余寿命[3-4].国外一些学者不断完善发展了损伤力学理论[5-7],而目前国内外对于土的损伤理论研究较少,沈珠江[8]和赵锡宏等[9]做了一些这方面的研究.维亚洛夫等[10]在试验基础上引入了定性表征冻土微结构损伤的初步概念;苗天德等[11]在蠕变试验和微结构观测研究的基础上,选择了描述冻土微结构变化的损伤内变量,建立了内变量演化方程及冻土蠕变的一般损伤理论.H e Ping 等[12]基于各向同性损伤假设,依据热力学原理,并引用损伤力学理论,分析了冻土所具有的粘弹塑力学性质以及围压的强化弱化双重性质;李栋伟等[13-14]以冻土试验为基础,提出了冻粘土服从DP 屈服准则的粘塑性损伤变量,研究了冻土粘弹塑性损伤耦合本构关系. 在荷载的作用下,土体将会发生微结构的损伤[11],同时,会使冰晶体产生明显的各向异性,特别是在塑性状态[2].因此,如何正确的选用损伤变量,成为建立损伤本构模型的关键.本文试图通过分析冻结砂土的常规三轴试验数据,利用损伤力学理论推导出冻结砂土的各向异性损伤变量的表达式,做出其变化规律曲线,为以后利用损伤力学理论建立冻土的损伤本构关系提供依据.1 试验描述及分析 本试验选用的土样为青藏线砂土,其颗粒成分如表1.试验时将砂土击实到一定的干重度,制备成直径为61.8m m ,高度125mm 的试样,抽气饱和后置于低温环境下冻结48h .然后将冻结土样取第30卷 第2期2008年4月冰 川 冻 土JO U RN A L OF G L ACIO L OG Y A N D GEOC RYO LO G YV ol .30 N o .2Apr .2008出,并装到低温试验机上,在特定温度下恒温24h ,加围压固结5min ,然后施加轴向荷载.试样的平均含水量为12.7%,平均干容重为19.7kN ·m -3,温度控制精度为±0.1℃.围压从0.3M Pa 一直加到18M Pa ,剪切速率为2.08×10-2m m ·s-1.表1 试样的颗粒组成T able 1 P article fractio ns o f the soil粒径范围和百分比/%<0.075mm 0.075～0.1mm 0.1～0.25mm 0.25～0.5mm 0.5～1m m >1m m 6.24131.08154.414.6922.2410.869 对-6℃下的冻结砂土进行了不同围压下的常规三轴试验,部分试验结果如图1.图1 -6℃冻结砂土的应力应变图F ig .1 Stress -strain curves of thefro zen sandy soil a t -6℃ 由图1可以看出,当围压<3M Pa 时,具有明显的应变软化现象,当围压>3M Pa 时,应力应变关系表现为应变硬化现象;在应力应变的全过程中,弹性应变占很小部分,变形过程主要表现为塑性变形过程;在σ3<10MPa 时,应力峰值随围压的增大而增大,而在σ3>10M Pa 时,应力峰值随围压的增大而减小,这是因为,冻土在高围压下发生压融现象[12,15],即随着围压的增大,冻土中孔隙冰的压融和微裂隙的发育,造成了冻土强度的弱化.2 损伤变量的推导 Kachanov 在研究金属的蠕变断裂时,第一次提出用连续性变量Χ描述材料的损伤状态:Χ=A～A(1)式中:A 为试样初始面积;A ～为受损后试样的净面积或者有效面积. Rabotnov 引入一个与连续性变量相对应的变量D ,称为损伤变量:D =A -A～A(2)式中:D =0对应于无损伤状态;D =1对应于完全损伤状态;0<D <1对应于不同程度的损伤状态. 令σ=F /A 为横截面上的名义应力;σ～=F /A ～为有效截面上的应力,称为有效应力,由σ·A =σ～·A ～,得:σ～=σ1-D(3)根据Lemaitre 等效应力原理:应力σ作用在受损材料上引起的应变与等效应力σ～作用在无损材料上引起的应变等价,可得到一维问题中受损材料的应力应变关系:ε=σE～=σ～E =σE (1-D )(4)即σ=E ε(1-D )(5)式中:E ～为受损材料的弹性模量,即有效弹性模量;E 为无损材料的弹性模量,即初始弹性模量;D 为损伤变量. 由式(4)和式(5)可知,材料的损伤变量可以通过材料弹性模量的变化来测定,即:D =1-E～E(6) 式(6)得出来的损伤变量是由一维问题中推得的,描述的是各向同性损伤.而冻土在加载时,由于冰晶体的各向异性,所以实际的损伤应该是三维的,采用各向同性损伤往往不能正确描述冻土的损伤过程.在三维问题中,有效应力为:{σ～}=[M (D )]{σ}(7)式中:[M (D )]为损伤有效矩阵,损伤有效矩阵为:[M (D )]=diag {1/W 11,1/W 22,1/W 33,1/W 12,1/W 23,1/W 31}(8)式中:W ij =[(1-D i )(1-D j )]1/2,i ,j =1,2,3;D 1,D 2,D 3分别为主轴的损伤变量.冻土在加载过程中,横向平面内是各向同性的,但在垂直于平面的方向性质不同,表现为横观各向同性损伤,即D 2=D 3.3072期金龙等:冻结砂土的损伤试验研究 假设冻土在初始状态(无损状态)下为各向同性,无损土的柔度矩阵[C]-1为:[C]-1=1E-vE-vE0001E-vE0001E0002(1+v)E00S2(1+v)E02(1+v)E(9)式中:E为弹性模量;v为泊松比. 损伤土的有效柔度矩阵为:[C]-1=[M(D)]T[C]-1[M(D)](10)式中:有效柔度矩阵是一个6×6的对称矩阵,其各个分量为:C-1ii=1E(1-D i)2,C-1ij=-vE(1-D i)(1-D j),i,j=1,2,3;C-144=2(1+v)E(1-D1)(1-D2),C-155=2(1+v)E(1-D2)(1-D3),C-166=2(1+v)E(1-D3)(1-D1);其余分量均为0.又因为:{εe}=[C]-1{σ}(11) 由式(10)和式(11),得到横观各向同性损伤变量的表达式:D1=1-E～E12(12)D3=1-vV～(1-D1)(13)式中:V～为受损材料的有效泊松比.3 损伤试验分析 试验证明,加载初期冻土体就已存在微裂隙发育,如何量化的描述损伤变量和损伤门槛值是研究冻土损伤力学的关键.一些学者利用C T技术,对冻土的加载过程进行了动态监测,从而得到了冻土的损伤规律.刘增利等[16]对冻土单轴压缩进行了CT测试,给出了冻土单轴压缩过程中不同承载阶段细观结构损伤演化特征;Zhang Shujuan等[17]借助C T技术对动态条件下泥岩的冻融损伤及强度和变形特征进行了研究.由式(12)和式(13),我们设想从冻土弹性模量的变化,得到损伤变量和损伤门槛值.这样,通过常规三轴试验就可以实现,不需要借助其它辅助设备. 从图1可以看出,应力-应变曲线存在明显的转折点.在加载初期,应变变化较缓,随着应力增大,到达转折点后,应变变化较快。
寒区冻土层水理性质研究戴长雷;常龙艳;孙思淼;吕雅洁;刘月;黄集华【摘要】寒区是我国重要的地理分区,在我国75％的国土覆盖着多年或季节性冻层土壤.冻层的不透水性、抑制蒸发作用、蓄水调节作用及调节产汇流作用,使寒区的水文循环机理与过程比非寒区复杂的多.从冻土层的水理性质的相关概念及特征参数、冻层水分迁移、融雪水入渗、冻土保墒和地下水溢流冰模型5个方面梳理国内外冻层水理性质的相关研究成果,并对国际领先研究成果一俄科院冻土所论著《寒区冻结层上水》进行内容分析,以期为农业生产、春季融雪径流、越冬期冻土层持水量、越冬期地表水对潜水补给量计算等研究提供有效的理论依据.【期刊名称】《黑龙江大学工程学报》【年(卷),期】2013(004)002【总页数】9页(P1-8,18)【关键词】冻土层;水理性质;冻土保墒;融雪入渗;溢流积冰;寒区【作者】戴长雷;常龙艳;孙思淼;吕雅洁;刘月;黄集华【作者单位】黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;伯明翰大学地理地球环境科学学院,英国伯明翰;黑龙江大学水利电力学院,哈尔滨150080;黑龙江大学寒区地下水研究所,哈尔滨150080;中冶焦耐工程技术有限公司,辽宁大连116065;中冶焦耐工程技术有限公司,辽宁大连116065【正文语种】中文【中图分类】P6410 引言冻土层是季节性冻土区土壤中特有的土层，一般位于土壤包气带中。
其水理性质（容水性质、持水性质、给水性质、透水性质）所表现出的不透水作用、蓄水调节作用和抑制蒸发作用，使冻融期降水下渗、土壤含水率的变化状态和降雨、径流、蒸发的“三水”转换关系均具有不同于无冻条件下的动态规律和特点［1－3］。
在寒区，低温与冻融作用使水文循环机理与过程更加复杂，将非寒区理论和方法应用于寒区水文循环存在诸多问题［4－6］，其中突出问题之一就是春季融雪水在包气带冻土层的入渗过程与机理［7－8］。
第26卷第2期岩石力学与工程学报V ol.26 No.2 2007年2月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Feb.，2007人工多圈管冻结水热耦合数值模拟研究汪仁和1，2，3，李栋伟1，2，3(1. 安徽理工大学土木工程系，安徽淮南 232001；2. 现代矿业工程安徽省重点实验室，安徽淮南 232001；3. 矿山建设工程安徽省高校重点实验室；安徽，淮南 232001)摘要：人工多圈管冻结过程中温度场和水分场的计算，是一个多物理场耦合和非线性数学问题，其影响因素多、相互之间关系复杂。
基于相似理论原理和人工多圈管冻结模型试验，提出渗流方程中的导水系数是温度梯度的函数，建立了多圈管正冻土中水热耦合数学模型，并采用有限元方法实现了对多圈管冻结温度场和水分场耦合的数值分析。
数值模拟温度场的发展趋势、水分场迁移特征与模型试验吻合良好，表明用提出的水热耦合数学模型计算多圈管冻结温度场和水分场是可行的，对多圈管冻结壁设计有参考意义。
关键词：岩土工程；模型试验；温度梯度；水热耦合；数值分析中图分类号：TU 47 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2007)02–0355–05 RESEARCH ON HYDRO-THERMAL COUPLING NUMERICAL SIMULATION WITH ARTIFICIAL MULTI-FREEZING-TUBE CYCLESWANG Renhe1，2，3，LI Dongwei1，2，3(1. Department of Civil Engineering，Anhui University of Science and Technology，Huainan，Anhui232001，China；2. The key laboratory of Modern mining Engineering of Anhui Province，Huainan，Anhui232001，China；3. Mine Building Key ofLaboratory of Colleges and Universities in AnHui Province，Huainan，Anhui232001，China)Abstract：During the coupling analysis of moisture field and temperature field in freezing soil by using artificial multi-freezing-tube cycles，a lot of factors should be considered，including multi-fields and nonlinear problems，etc.. Their relations are complicated. The model tests of freezing process with multi-freezing-tube cycles are conducted. The regulation of variation of temperature field and moisture field with freezing time are obtained. It is proved that the temperature is the source of variation of moisture field；and the hydro-thermal coupling dominant equation is proposed. The finite element method is used to carry out hydro-thermal coupling movement with the hydro-thermal coupling parameters being solved simultaneously. It can simulate the characters of temperature forming and development，freezing moisture field transferring，as well as the coupling relation of the two fields. The results of numerical simulations and model tests have good coincidence. The hydro-thermal coupling analysis in this study has important reference to designing and optimizing freezing wall. The results have promotion role for both technological progress and theoretical development of shaft sinking by artificial freezing process with multi-freezing-tube-cycles in thick overburden.Key words：geotechnical engineering；model testing；temperature gradient；hydro-thermal coupling；numerical analysis收稿日期：2006–04–24；修回日期：2006–05–30基金项目：安徽省自然科学基金资助项目(050440501)；现代矿山建设工程安徽省高校重点实验室基金项目；安徽理工大学博士、硕士基金项目作者简介：汪仁和(1956–)，男，博士，1982年毕业于淮南矿业学院矿井建设专业，现任教授、博士生导师，主要从事岩土力学方面的教学与研究工作。
第33卷，第1期国土资源遥感Vol.33,No.1 2021年3月REMOTE SENSING FOR LAND&RESOURCES M v-,2021dol:10.6046/atzyyy.2020122引用格式：王佳新，萨楚拉,毛克彪，等.蒙古高原土壤湿度时空变化格局及其对气候变化的响应［J］.国土资源遥感,2021,33（1）：231-239.（Wang J X, Sa C L,Mao KB,ct al.Temporal and spatial variation of soil moisture in the Mongolian Plateau and its response to climate change［J］.Remote Sensing for Land and Resources,2021,33（1）：231-239.）蒙古高原土壤湿度时空变化格局及其对气候变化的响应王佳新2,萨楚拉2,毛克彪2,孟凡浩2,罗敏2,王牧兰2（1.内蒙古师范大学地理科学学院，呼和浩特010022；2.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081；3.内蒙古自治区遥感与地理信息系统重点实验室，呼和浩特010022）摘要：土壤水作为一种重要的水资源，其时空分布和动态变化对植被的分布和生长状况具有显著影响。
蒙古高原是典型的干旱-半干旱气候区，也是亚欧大陆温带草原的主要构成部分，气候变化导致的土壤含水量变化无疑会对草原生态系统健康及稳定产生直接影响；厘清蒙古高原土壤湿度时空特征及其对气候变化的响应有助于为生态保护相关政策的制定提供科学支撑。
本研究基于GLDAS-Noah土壤湿度数据，运用线性回归分析、相关分析和Mann-KendV l M-K）检验等方法，分析1982—2018年不同深度土壤湿度的时空格局、变化趋势及突变性等特征，并与CRU温度、降水数据相结合探讨土壤湿度对气象因子变化的响应。
２０２４年３月水 利 学 报ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ第５５卷 第３期文章编号：０５５９－９３５０（２０２４）０３－０３５５－１２收稿日期：２０２３－０６－３０；网络首发日期：２０２４－０１－１７网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０１１６．１７２３．００２．ｈｔｍｌ基金项目：第二次青藏高原综合科学考察研究任务（２０１９ＱＺＫＫ０２０７－０２）；国家自然科学基金项目（Ｕ２２４３２２１，Ｕ２２４３２３９，５１９７９２９１，５２００９１４４）；中国水科院科研专项（ＨＹ０１４５Ｂ０３２０２１）作者简介：周中元（１９９９－），硕士生，主要从事河冰水动力学研究。
Ｅｍａｉｌ：ｚｈｏｎｇｙｕａｎ１２３ａｂ＠１６３．ｃｏｍ通信作者：王涛（１９７５－），博士，教授级高级工程师，主要从事河冰水动力学及冰情预报研究。
Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｔａｏ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ黄河未来气候情景下冰情特征演变分析周中元１，王 涛１，孙亚翡１，陈玉状１，路锦枝１，２（１．中国水利水电科学研究院流域水循环与调控国家重点实验室，北京 １０００３８；２．清华大学水利水电工程系，北京 １０００８４）摘要：了解未来气候变化如何影响河流冰情特征对于研究冰凌洪水灾害、水电生产以及大坝管理运行等问题至关重要。
基于黄河流域气象观测数据以及第六次国际耦合模式比较计划（ＣＭＩＰ６）中８种全球气候模式（ＧＣＭｓ）的日均气温数据，评估了各ＧＣＭｓ在分位数增量映射（ＱＤＭ）偏差校正前后对于黄河流域凌汛期日平均气温的模拟能力，预估了黄河流域未来凌汛期气温变化趋势。
建立了最大冰厚以及封冻历时预测模型，并预估了黄河防凌重点区域黄河宁蒙段未来最大冰厚以及封冻历时的变化趋势。
研究表明，在ＳＳＰ１－２．６、ＳＳＰ２－４．５和ＳＳＰ５－８．５三种气候情景下预计２０１５—２１００年期间黄河流域凌汛期平均气温升温速率分别为０．０１４、０．０３１和０．０６７℃?ａ，黄河巴彦高勒断面２１世纪内最大冰厚值将会分别下降８．５、１９．５和３９．５ｃｍ。
第42卷第4期2020年12月Vol.42，No.4Dec.，2020冰川冻土JOURNAL OF GLACIOLOGY AND GEOCRYOLOGY青藏高原风火山流域坡面尺度活动层土壤水热时空变化特征赵海鹏1，吕明侠1，王一博1，杨文静1，刘鑫1，白炜2（1.兰州大学资源环境学院，甘肃兰州730000；2.兰州交通大学环境与市政工程学院，甘肃兰州730070）摘要：以风火山流域某阴坡坡顶、坡底和阳坡坡底活动层土壤水热及气象资料为基础，对青藏高原多年冻土区不同地形条件下的土壤水热时空变化特征进行了分析。
结果表明：在融化阶段，除表层5cm 外，阴坡坡底各深度土壤开始融化日期均比坡顶早，比阳坡坡底晚；阴坡坡脚各深度土壤含水量均大于坡顶和阳坡坡底。
在冻结阶段，开始冻结日期在阴坡坡底均比坡顶早，但比阳坡坡底晚；阴坡坡底各深度土壤含水量均高于坡顶相应土层的含水量，在20cm 、100cm 、160cm 深处高于阳坡相应土层的含水量，但在5cm 、50cm 深处，稳定冻结后两者的含水量差异较小。
在整个冻融过程中，阴坡坡底土壤温度对气温变化的响应弱于坡顶及阳坡坡底，但其土壤水分对降水的响应强于坡顶及阳坡坡底。
植被生长发育受水分和热量条件的制约，不同地形条件下水热时空变化差异将影响植被空间分布特征。
在未来气候变暖情况下，上坡位植被可能因为水分胁迫而退化，出现荒漠化现象，而下坡位由于受侧向流的影响，土壤水分对降水的响应强烈，植被不会发生显著退化；在不同坡向之间，同一坡位阳坡植被退化程度可能大于阴坡。
关键词：活动层；地形；植被；土壤温度；土壤水分；风火山中图分类号：P 642.14文献标志码：A文章编号：1000-0240（2020）04-1158-110引言青藏高原是世界上海拔最高的高原，平均海拔在4000m 以上，广泛发育着季节冻土和多年冻土，其中多年冻土面积约为106万平方公里，占青藏高原总面积的40%［1-2］。
２０２４年４月水 利 学 报ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ第５５卷 第４期文章编号：０５５９－９３５０（２０２４）０４－０３８９－１４收稿日期：２０２３－０７－１０；网络首发日期：２０２４－０１－１８网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｌｉｎｋ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｕｒｌｉｄ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２４０１１６．１７２３．００１．ｈｔｍｌ基金项目：国家重点研发计划项目（２０２２ＹＦＣ３２０２５００）；国家自然科学基金项目（Ｕ２２４３２２１，Ｕ２２４３２３９，５２００９１４４，５１９７９２９１）；中国水科院科研专项（ＨＹ０１４５Ｂ０３２０２１）作者简介：郭新蕾（１９８０－），正高级工程师，主要从事水力学研究。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｕｏｘｉｎｌｅｉ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ南水北调中线冬季冰情变化特征及输水能力提升策略研究郭新蕾１，潘佳佳１，苑希民２，王 军３，罗秋实４，苏 霞５（１．流域水循环模拟与调控国家重点实验室，中国水利水电科学研究院，北京 １０００３８；２．天津大学，天津 ３０００７２；３．合肥工业大学，安徽合肥 ２３０００９；４．黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州 ４５０００３；５．中国南水北调集团中线有限公司，北京 １０００３８）摘要：南水北调中线工程冰期输水能力受限已成为制约工程安全运行和社会效益发挥的巨大障碍。
认识和辨析通水以来中线干渠冬季水温冰情演变规律及影响机理，是中线干渠冬季输水能力提升亟需解决的关键问题。
本文基于２０１１—２０２３年中线干渠连续１２个冬季的气象、水力、冰情等原型观测资料，分析了中线干渠水温冰情时空分布本底和特征规律，明晰了影响中线干渠冰凌生消的关键因素，针对性提出了冬季输水能力提升的相关应对策略。
分析表明：通水以来冰情发生的范围和时间相比理论预想偏小、偏短，冰凌影响区为七里河倒虹吸至北拒马河暗渠段，冰塞风险区为滹沱河倒虹吸至北拒马河暗渠段，多年平均冰厚１５ｃｍ，历史极端冰塞厚２．９ｍ，冰凌壅水最高值０．７３ｍ；干渠冬季水温由南向北递减，依次出现岸冰、流冰和冰盖，日均气温转负后相应的断面平均测量水温在２．５、１．０和０．２５℃左右，且沿程水温下降速率与流量和气温呈负相关，即增大输水流量可减缓水温下降速度；影响冰凌生消的关键因素是气温、流量、太阳辐射和风速，典型年如２０１６年的严重冰情与１月低累计负积温、大输水流量和短时寒潮叠加有关，漕河等渡槽失温快产冰量大与风速密切相关。
