基于凍融補水新方法的季凍土力學特性解析與工程應用研究

一、緒論1.1研究背景凍土，作為一種特殊的土體，是指溫度在0℃或0℃以下，并含有冰的各種巖石和土壤。根據其凍結狀態(tài)保持時間的不同，一般可分為短時凍土（數小時/數日以至半月）、季節(jié)凍土（半月至數月）以及多年凍土（數年至數萬年以上）。地球上多年凍土、季節(jié)凍土和短時凍土區(qū)的面積約占陸地面積的50%，其中多年凍土面積占陸地面積的25%。凍土對溫度極為敏感，且含有豐富的地下冰，這使得它具有流變性，其長期強度遠低于瞬時強度特征。中國的凍土可分為季節(jié)凍土和多年凍土。其中，季節(jié)凍土占據了中國領土面積的一半以上，其南界西起云南章鳳，向東經昆明、貴陽，繞四川盆地北緣，直至長沙、安慶、杭州一帶。在黑龍江省南部、內蒙古東北部、吉林省西北部，季節(jié)凍結深度可超過3米，并且隨著緯度的降低，凍結深度逐漸減少。多年凍土則主要分布在東北大、小興安嶺，西部阿爾泰山、天山、祁連山以及青藏高原等地，總面積超過全國領土面積的1/5。在凍土地區(qū)，由于氣溫較低，土層凍結，降水較少，流水、風力和溶蝕等外力作用并不顯著，而凍融作用則成為了凍土地貌發(fā)育的最活躍因素。隨著凍土區(qū)溫度周期性地發(fā)生正負變化，凍土層中的水分相應地出現(xiàn)相變與遷移，從而導致巖石的破壞，沉積物受到分選和干擾，凍土層發(fā)生變形，產生凍脹、融陷和流變等一系列復雜過程，這一系列過程被統(tǒng)稱為凍融作用。它主要包括融凍風化、融凍擾動和融凍泥流作用。融凍泥流是凍土地區(qū)最重要的物質運移和地貌作用過程之一，通常發(fā)生在數度至十余度的斜坡上。當凍土層上部解凍時，融水會使主要由細粒土組成的表層物質達到飽和或過飽和狀態(tài)，進而使上層土層具有一定的可塑性，在重力的作用下，沿著融凍界面向下緩慢移動，形成融凍泥流，其年平均流速一般不足1米。由于泥流順坡蠕動時，各層流速不一致，表層流速大于下層，所以有時會把泥炭、草皮等卷入活動層剖面中，產生褶皺和圓柱體等構造形態(tài)。季節(jié)性凍土，即冬季凍結、春季融化的土層，自地表面至凍結層底面的厚度稱為凍結深度。我國季節(jié)性凍土區(qū)面積約為513.7萬平方千米，占國土面積的53.5%。季節(jié)性凍土的凍脹性、融沉性等特性對工程有著重大影響。在季節(jié)性凍土地區(qū)進行工程建設時，如果不充分考慮這些特性，可能會導致工程質量事故的發(fā)生，如建筑物墻體開裂、路基凍害等。例如，在寒冷及嚴寒地區(qū)，季節(jié)性凍土凍結時膨脹強度高，解凍時融陷強度低，這給冬期和春融期施工增添了一定的難度和復雜性。若考慮不周或不加重視，就可能導致不同程度的工程質量事故。為了防止這類事故的發(fā)生，在冬期進行地基基礎施工時，除了在砌筑砂漿或混凝土中摻防凍劑外，還應做到隨挖基槽、隨砌筑基礎、隨回填土方，并按采暖設計的房屋基礎頂面和兩側做好覆蓋保溫工作。近年來，隨著“一帶一路”倡議和“振興東北工業(yè)基地”戰(zhàn)略的實施，在季節(jié)凍土區(qū)的工程建設日益增多，如交通基礎設施建設、能源開發(fā)項目等。這些工程的建設都不可避免地會遇到季節(jié)性凍土問題，如果不能妥善解決，將會對工程的安全性、穩(wěn)定性和耐久性產生嚴重影響，進而影響到國家戰(zhàn)略的順利實施。因此，對季節(jié)性凍土的力學特性進行深入研究，提出有效的工程應對措施，具有重要的現(xiàn)實意義和工程應用價值。1.2研究目的與意義本研究旨在深入探究基于凍融補水新方法的季凍土力學特性，通過系統(tǒng)的實驗研究和理論分析，揭示該新方法對季凍土力學性質的影響規(guī)律，為季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設提供堅實的理論依據和有效的技術支持。在理論方面，季節(jié)性凍土的力學特性受到多種因素的綜合影響，如溫度變化、水分遷移、土體顆粒組成等。凍融補水作為其中一個關鍵因素，對季凍土的力學性質有著重要作用。然而，傳統(tǒng)的研究方法在模擬實際凍融補水過程時存在一定的局限性，導致對其作用機制的理解不夠深入。本研究提出的凍融補水新方法，旨在更真實地模擬自然條件下的凍融補水過程，通過對不同條件下季凍土力學特性的研究，進一步完善季凍土力學理論體系，為后續(xù)的研究提供新的思路和方法。例如，通過研究新方法下水分在土體中的遷移規(guī)律、冰晶體的形成與生長機制等，深入理解凍融作用對土體微觀結構的影響，從而為建立更準確的力學模型奠定基礎。從工程應用角度來看，季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設面臨著諸多挑戰(zhàn)，如路基凍脹、融沉導致的路面開裂、塌陷，建筑物基礎的不均勻沉降等問題，這些病害不僅影響工程的正常使用，還會增加維護成本，甚至威脅到工程的安全。本研究的成果可以為工程設計和施工提供科學的指導，通過合理應用凍融補水新方法，優(yōu)化工程措施，如選擇合適的路基填料、設計有效的排水系統(tǒng)、采用合理的保溫措施等，能夠有效減少凍融病害的發(fā)生，提高工程的穩(wěn)定性和耐久性。以道路工程為例，根據研究結果可以確定在不同季節(jié)和氣候條件下，如何通過控制凍融補水過程來調整路基土的力學性質，從而避免因凍脹和融沉引起的路面損壞，延長道路的使用壽命，降低維護成本。在建筑工程中，也可以依據研究成果對基礎設計進行優(yōu)化，確保建筑物在季節(jié)性凍土環(huán)境下的安全穩(wěn)定。此外，隨著“一帶一路”倡議和“振興東北工業(yè)基地”戰(zhàn)略的推進，季節(jié)性凍土地區(qū)的基礎設施建設規(guī)模不斷擴大，對解決凍土問題的技術需求也日益迫切。本研究的開展，有助于推動相關領域技術的進步，提高我國在凍土工程領域的研究水平和國際競爭力，為國家戰(zhàn)略的實施提供有力的技術保障。1.3國內外研究現(xiàn)狀在凍融補水研究方面，國外學者起步較早，開展了大量的室內外試驗。例如，美國學者通過室內試驗，研究了不同補水條件下土體的凍脹特性，發(fā)現(xiàn)補水速率和補水量對土體凍脹變形有顯著影響，當補水速率較快且補水量較大時，土體的凍脹量明顯增加。在實際工程應用中，國外在一些寒冷地區(qū)的道路工程中，采用了特殊的排水和補水系統(tǒng)，以減少凍融對路基的破壞，如在加拿大的部分公路建設中，設置了深層排水設施，將地下水及時排出，避免了水分在路基中積聚，從而有效減少了凍脹病害的發(fā)生。國內學者在凍融補水研究方面也取得了豐富的成果。通過室內試驗和數值模擬相結合的方法，深入研究了水分在土體中的遷移規(guī)律以及凍融循環(huán)對土體結構的影響。有研究表明，在凍融過程中，水分會向溫度較低的區(qū)域遷移，形成冰透鏡體，導致土體結構發(fā)生變化。在工程應用方面，我國在青藏鐵路等大型凍土工程建設中，采用了多種凍融防治措施，如鋪設保溫材料、設置熱棒等，取得了良好的效果。同時，國內學者也在不斷探索新的凍融補水方法，如通過控制地下水位和土壤濕度，實現(xiàn)對土體凍融過程的有效調控。在季凍土力學特性研究方面，國外學者從多個角度進行了深入研究。在微觀層面，利用先進的微觀測試技術，如掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等，研究了季凍土的微觀結構特征及其對力學性質的影響，發(fā)現(xiàn)季凍土的微觀結構在凍融循環(huán)過程中會發(fā)生顯著變化，進而影響其力學性能。在宏觀力學性質研究方面，通過大量的室內外試驗，建立了多種季凍土的力學模型，如基于彈塑性理論的本構模型，能夠較好地描述季凍土在不同荷載條件下的力學行為。國內學者對季凍土力學特性的研究也取得了重要進展。在室內試驗方面，開展了不同土質、不同含水率和不同溫度條件下的季凍土力學性能試驗，系統(tǒng)研究了這些因素對季凍土強度、變形等力學性質的影響規(guī)律。例如，研究發(fā)現(xiàn)，隨著含水率的增加，季凍土的抗剪強度會降低，而壓縮性會增大。在現(xiàn)場監(jiān)測方面，通過在實際工程中設置監(jiān)測點，對季凍土的溫度、水分和力學響應進行長期監(jiān)測，為理論研究和工程應用提供了寶貴的數據支持。同時，國內學者還結合我國的工程實際，提出了一系列適用于我國季凍土地區(qū)的工程設計和施工方法。盡管國內外在凍融補水及季凍土力學特性研究方面取得了顯著成果，但仍存在一些不足之處。在凍融補水研究中，對于復雜地質條件下的凍融補水過程，如多層土體結構、不同土質交互等情況，研究還不夠深入，現(xiàn)有的理論和模型難以準確描述其水分遷移和凍脹融沉特性。在季凍土力學特性研究方面，雖然已經建立了多種力學模型，但這些模型往往過于復雜，參數難以確定，在實際工程應用中存在一定的局限性。此外，對于季凍土在長期荷載作用下的力學性能變化，以及凍融循環(huán)與其他因素（如化學侵蝕、振動荷載等）耦合作用下的力學特性研究還相對較少，需要進一步加強。1.4研究內容與方法本研究內容主要包括以下幾個方面：一是深入研究凍融補水新方法的原理與機制。詳細分析新方法中水分遷移、相變等過程，以及其對季凍土力學性質的影響機制，通過理論分析和數值模擬，建立新方法下水分遷移和相變的數學模型，探討不同因素對該過程的影響，為后續(xù)研究提供理論基礎。二是設計并研發(fā)適用于該研究的凍融補水實驗裝置。該裝置需能精確模擬自然條件下的凍融補水過程，具備溫度、濕度、補水速率等參數的精確控制功能，采用先進的制冷、加熱和補水技術，確保實驗條件的穩(wěn)定性和可靠性，為實驗研究提供有力支持。三是開展基于新方法的季凍土力學特性實驗研究。在不同條件下，如不同溫度、濕度、補水速率等，對季凍土的強度、變形、滲透性等力學特性進行系統(tǒng)測試，分析各因素對季凍土力學性質的影響規(guī)律，通過對比實驗，驗證新方法的有效性和優(yōu)越性。四是將研究成果應用于實際工程案例分析。以季節(jié)性凍土地區(qū)的道路、橋梁、建筑等工程為對象，分析凍融補水新方法在實際工程中的應用效果，提出針對性的工程措施和建議，為工程設計和施工提供科學依據。在研究方法上，本研究將采用實驗研究、數值模擬和理論分析相結合的方式。實驗研究方面，通過室內實驗，利用自主研發(fā)的凍融補水實驗裝置，對不同條件下的季凍土進行力學性能測試，獲取實驗數據，為理論分析和數值模擬提供基礎；開展現(xiàn)場試驗，在季節(jié)性凍土地區(qū)選取典型場地，進行原位測試和監(jiān)測，驗證室內實驗結果的可靠性，獲取實際工程中的數據和經驗。數值模擬則是運用專業(yè)的數值模擬軟件，建立季凍土的力學模型，模擬凍融補水過程中季凍土的力學響應，分析不同因素對季凍土力學性質的影響，通過數值模擬，預測季凍土在不同條件下的力學行為，為工程設計提供參考。理論分析是基于凍土力學、熱力學、滲流力學等相關理論，對凍融補水新方法的原理、機制以及季凍土的力學性質進行深入分析，建立理論模型，揭示凍融補水過程中季凍土力學性質的變化規(guī)律，為實驗研究和數值模擬提供理論指導。二、凍融補水新方法原理與裝置2.1傳統(tǒng)凍融補水方法分析在凍土研究領域，傳統(tǒng)凍融補水方法主要分為封閉系統(tǒng)和開放系統(tǒng)兩類。在封閉系統(tǒng)中，試驗試樣在凍結過程既無水分補給也無水分排出，整個過程中試樣的初始含水率保持不變。這種系統(tǒng)下的試驗相對簡單，易于控制變量，能夠較為準確地研究凍融循環(huán)對土體本身性質的影響，避免了外界水分干擾帶來的復雜性。然而，在自然界中，水分的遷移和補給是普遍存在的現(xiàn)象，封閉系統(tǒng)無法真實地模擬這一過程，導致其研究結果在實際應用中存在局限性。例如，在實際的季節(jié)性凍土地區(qū)，冬季凍結時，地下水位較高的區(qū)域會有水分向凍結鋒面遷移，而封閉系統(tǒng)無法體現(xiàn)這一水分補給過程，使得研究結果難以準確反映實際情況。開放系統(tǒng)則允許在凍結過程中有水分的補給，且通常是試驗試樣直接與外界水源相連接。這種方式能夠模擬一定程度的水分補給情況，在研究水分對凍融過程的影響方面具有一定優(yōu)勢。但是，由于自然界的地下水源一般埋藏較深，凍結深度往往難以觸及，而開放系統(tǒng)中試樣直接與外接水源相連，會導致試樣快速吸水飽和，承載能力下降甚至破壞，與實際情況存在較大差異。比如，在道路路基的凍融過程中，實際情況是路基在凍融過程中吸收少量水分，而開放系統(tǒng)下的試驗結果卻表現(xiàn)為試樣快速大量吸水，這就使得基于開放系統(tǒng)試驗得到的規(guī)律不能切實代表普遍情況。此外，傳統(tǒng)方法在模擬水分遷移路徑和速率方面也存在不足。在實際的凍融過程中，水分的遷移受到多種因素的影響，如土體的孔隙結構、溫度梯度、土顆粒的吸附作用等，其遷移路徑復雜多變，速率也并非恒定。而傳統(tǒng)的封閉和開放系統(tǒng)都難以準確地模擬這些復雜的因素，導致對水分遷移規(guī)律的研究不夠深入。以封閉系統(tǒng)為例，由于沒有水分補給，無法研究水分在不同溫度梯度下的遷移情況；開放系統(tǒng)雖然有水分補給，但由于補給方式過于簡單直接，無法真實反映自然界中水分在土體中緩慢、復雜的遷移過程。在研究凍融循環(huán)對季凍土力學特性的影響時，傳統(tǒng)方法也難以全面考慮水分補給與其他因素的耦合作用。凍融過程中，除了水分補給外，溫度變化、土體的應力狀態(tài)、化學物質的存在等因素都會對季凍土的力學性質產生影響，且這些因素之間相互作用、相互影響。然而，傳統(tǒng)的封閉和開放系統(tǒng)往往只能單一地考慮水分補給或不考慮水分補給，無法綜合研究多種因素的耦合作用，使得對季凍土力學特性的研究不夠全面和深入。2.2凍融補水新方法的提出為了更真實地模擬自然界中的凍融補水過程，本研究提出了一種單向凍融自然補水試驗方法。該方法的原理基于自然界中水分在土體中的遷移規(guī)律，通過設置補水土層，使試驗試樣在單向凍融過程中能夠從補水土層中自然吸收水分，從而更準確地模擬實際凍融過程中的水分補給情況。在該方法中，補水土層的設置至關重要。補水土層放置在補水箱中，補水箱四周及底部具有保溫材料，以減少熱量散失，保證試驗環(huán)境的穩(wěn)定性。補水箱上部具有頂板，頂板中心開有試驗試樣放置孔，試驗試樣放置時，其外部包裹有膠皮膜，使試驗試樣上部封閉、下部開放，這樣可以確保試樣僅從下部補水土層吸收水分，避免了其他方向的水分干擾。在補水土層放置試驗試樣的位置處還放置有濾紙，試驗試樣外套的膠皮膜開口處安放在濾紙上，濾紙起到了促進水分均勻傳遞的作用，同時也能防止土顆粒進入試樣。在濾紙下部還設有試樣溫度傳感器，用于實時監(jiān)測試樣底部的溫度變化，以便準確掌握試驗過程中的溫度情況。頂板的上部設有降溫室，降溫室的外部同樣具有保溫材料，降溫室具有循環(huán)管，循環(huán)管連接低溫箱，通過低溫箱對降溫室進行降溫，從而實現(xiàn)對試驗試樣的單向凍融。降溫室內設有降溫室溫度傳感器，用于監(jiān)測降溫室的溫度，確保試驗過程中的溫度控制精度。與傳統(tǒng)的凍融補水方法相比，單向凍融自然補水試驗方法具有顯著優(yōu)勢。傳統(tǒng)的封閉系統(tǒng)無法模擬實際凍融過程中的水分補給，導致研究結果與實際情況存在較大偏差；而開放系統(tǒng)雖然能夠實現(xiàn)水分補給，但由于試驗試樣直接與外接水源相連，會導致試樣快速吸水飽和，承載能力下降甚至破壞，與實際情況不符。單向凍融自然補水試驗方法通過設置補水土層，使試樣能夠從土中自然吸收水分，避免了快速吸水飽和的問題，更接近實際的凍融過程。這種方法能夠更準確地反映路基在凍融過程中吸收少量水分的情況，對于研究季凍土的力學特性具有重要意義。該方法與實際凍融過程高度契合。在自然界中，季節(jié)性凍土的凍結過程通常是單向的，且水分補給主要來自地下水位較高區(qū)域的水分遷移。單向凍融自然補水試驗方法通過模擬這一過程，能夠準確地研究凍融循環(huán)對土體的影響，為季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設提供更可靠的理論依據。例如，在道路工程中，利用該方法可以研究不同補水量和凍結速率對路基土力學性質的影響，從而為路基的設計和施工提供科學指導，有效減少路基凍脹、融沉等病害的發(fā)生。2.3試驗裝置的設計與研制為了實現(xiàn)單向凍融自然補水試驗方法，本研究設計并研制了專門的試驗裝置。該裝置主要由補水箱、降溫室、溫度傳感器和數據采集器等部分組成。補水箱是整個裝置的重要組成部分，其四周及底部均設置有保溫材料，以減少熱量的散失，確保試驗過程中補水土層的溫度穩(wěn)定。補水箱的上部安裝有頂板，頂板中心開設有試驗試樣放置孔，用于放置試驗試樣。試驗試樣在放置時，其外部包裹有膠皮膜，使得試驗試樣上部封閉、下部開放，這樣的設計能夠保證試樣僅從下部的補水土層吸收水分，有效避免了其他方向水分的干擾。在補水土層放置試驗試樣的位置處，放置有濾紙，試驗試樣外套的膠皮膜開口處安放在濾紙上。濾紙不僅能夠促進水分的均勻傳遞，還能防止土顆粒進入試樣，確保試驗的準確性。在濾紙下部，還設有試樣溫度傳感器，用于實時監(jiān)測試樣底部的溫度變化，為試驗數據的采集和分析提供重要依據。降溫室位于頂板的上部，其外部同樣具有保溫材料，以維持降溫室內的低溫環(huán)境穩(wěn)定。降溫室配備有循環(huán)管，循環(huán)管連接低溫箱，通過低溫箱對降溫室進行降溫，從而實現(xiàn)對試驗試樣的單向凍融。降溫室內設有降溫室溫度傳感器，用于監(jiān)測降溫室的溫度，確保試驗過程中的溫度控制精度。通過精確控制降溫室的溫度，可以模擬不同的凍結和融化條件，研究這些條件對季凍土力學特性的影響。溫度傳感器和數據采集器在整個試驗裝置中起著關鍵作用。試件溫度傳感器和降溫室溫度傳感器通過導線連接溫度采集器，能夠實時采集試驗過程中的溫度數據。數據采集器將采集到的溫度數據進行整理和存儲，為后續(xù)的數據分析提供了豐富的數據支持。通過對溫度數據的分析，可以了解凍融過程中溫度的變化規(guī)律，以及溫度對水分遷移和土體力學性質的影響。在裝置的組裝過程中，各個部件的連接和密封至關重要。補水箱的保溫材料與頂板連接時采用聚氨酯泡沫填充劑，以確保連接緊密，減少熱量泄漏。試驗試樣放置孔與膠皮膜連接時同樣采用聚氨酯泡沫填充劑，保證了試樣的密封性，防止水分從其他部位進入試樣。降溫室的外部保溫材料與頂板連接時也采用聚氨酯泡沫填充劑，進一步增強了裝置的保溫性能。在操作該裝置時，首先進行上頂板封裝。將隔熱保溫材料利用聚氨酯泡沫填充劑黏結到一起，形成下部開口土箱，頂板形成比試驗試樣略大一點的孔洞。將試驗試樣置于膠皮膜內，一段封閉，一段開口，再將其置于孔洞中，利用聚氨酯泡沫填縫劑固定密封，完成上頂板封裝。接著進行下部補水箱封裝，將特定含水率的土置于未封口的補水箱做補水土層，按設計要求的密實度擊實，并在安放試驗試樣的位置安放試件溫度傳感器，在其上放置濾紙。將封裝好的上頂板用聚氨酯泡沫填縫劑黏結封閉，未封口的土樣段通過濾紙和下部補水土層接觸，完成土箱整體封裝。然后進行降溫室封裝，將低溫箱的循環(huán)管置于下部開口的降溫箱，內置溫度傳感器，連接部分用泡沫填縫劑封閉，再通過聚氨酯泡沫填縫劑與封裝完成的下部土箱黏結密封。系統(tǒng)組裝完成之后，啟動降溫室內設備，對降溫室進行降溫，通過溫度傳感器測試降溫室和補水土層溫度，待凍結穩(wěn)定之后，停止降溫，將降溫室升到設計溫度，進行融化?？筛鶕枰x擇特定的狀態(tài)取出土試樣進行相關試驗，通過溫度采集器記錄采集相關數據，繪制記錄曲線。在凍結融化之后，取出土試樣，從上到下將土試樣切成四段，編號1、2、3、4，進行含水率測試。該試驗裝置能夠準確模擬自然凍融補水狀況，為研究基于凍融補水新方法的季凍土力學特性提供了可靠的實驗平臺。通過該裝置，可以精確控制試驗條件，研究不同因素對季凍土力學性質的影響，為季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設提供科學依據。2.4試驗方法與步驟使用單向凍融自然補水試驗裝置進行試驗時，需嚴格遵循以下操作流程和要點：準備工作：根據試驗要求，準備好足量的試驗土樣，并準確測定其初始含水率。選擇合適的保溫材料，如擠塑聚苯板等，確保補水箱和降溫室的保溫性能良好。同時，檢查溫度傳感器、數據采集器等設備是否正常工作，確保試驗數據的準確采集。上頂板封裝：先將隔熱保溫材料利用聚氨酯泡沫填充劑黏結到一起，形成下部開口土箱。在頂板上開設比試驗試樣略大一點的孔洞，以便放置試驗試樣。將試驗試樣置于膠皮膜內，使一段封閉，一段開口，再將其置于孔洞中，利用聚氨酯泡沫填縫劑固定密封，完成上頂板封裝，封裝后的上頂板需放置一旁備用。下部補水箱封裝：在試驗過程中，將特定含水率的土置于未封口的補水箱中，作為補水土層。按照設計要求的密實度，使用擊實儀對補水土層進行擊實，確保其密實度均勻。在安放試驗試樣的位置，小心安放試件溫度傳感器，并在其上放置濾紙。濾紙能夠促進水分的均勻傳遞，同時防止土顆粒進入試樣。將封裝好的上頂板用聚氨酯泡沫填縫劑與補水箱黏結封閉，使未封口的土樣段通過濾紙和下部補水土層接觸，完成土箱整體封裝。在放置試件溫度傳感器時，要確保其位置準確，能夠真實反映試樣底部的溫度變化。降溫室封裝：將低溫箱的循環(huán)管置于下部開口的降溫箱內，內置溫度傳感器，用于監(jiān)測降溫室的溫度。連接部分用泡沫填縫劑封閉，以防止熱量散失。再通過聚氨酯泡沫填縫劑，將降溫箱與封裝完成的下部土箱黏結密封，確保整個裝置的密封性和保溫性。在連接循環(huán)管和放置溫度傳感器時，要注意操作的規(guī)范性，避免損壞設備。裝置測試：系統(tǒng)組裝完成之后，啟動降溫室內設備，開啟低溫箱，使循環(huán)管中的冷卻液循環(huán)流動，對降溫室進行降溫。通過溫度傳感器實時測試降溫室和補水土層溫度，密切關注溫度變化情況。待凍結穩(wěn)定之后，即降溫室和補水土層的溫度達到設定的穩(wěn)定值且保持一段時間后，停止降溫。將降溫室升到設計溫度，進行融化。在凍結和融化過程中，可根據需要選擇特定的狀態(tài)取出土試樣進行相關試驗，如進行抗壓強度試驗、滲透系數測試等。通過溫度采集器記錄采集相關數據，包括不同時刻的溫度、試驗過程中的時間等，并繪制記錄曲線，以便后續(xù)分析。在取出土試樣進行試驗時，要注意操作的小心謹慎，避免對土試樣造成額外的擾動。開啟凍結試驗：系統(tǒng)完成測試后，再次啟動降溫室設備，開啟凍結試驗。在試驗過程中，持續(xù)采集降溫室溫度和試樣底部溫度，觀察溫度的變化趨勢。含水率測試：在凍結融化之后，小心取出土試樣，從上到下將土試樣切成四段，編號1、2、3、4。使用烘干法或其他合適的方法，對這四段土樣分別進行含水率測試，計算各段土樣的含水率變化，分析水分在土樣中的遷移分布情況。在進行含水率測試時，要嚴格按照測試方法的要求進行操作，確保測試結果的準確性。在整個試驗過程中，要注意保持試驗環(huán)境的穩(wěn)定，避免外界因素對試驗結果的干擾。同時，要嚴格按照操作規(guī)程進行操作，確保試驗的安全性和可靠性。三、季凍土凍融過程中的溫度及水分遷移特征3.1試驗方案設計本試驗選取典型的季凍土區(qū)土樣，以確保研究結果的代表性和可靠性。土樣取自東北地區(qū)某季節(jié)性凍土區(qū)域，該區(qū)域冬季寒冷，夏季溫暖，凍土的凍融循環(huán)現(xiàn)象顯著。在取土過程中，嚴格按照相關標準和規(guī)范進行操作，采用環(huán)刀法獲取原狀土樣，以保證土樣的結構和性質不受破壞。通過對取回的土樣進行物理性質測試，包括顆粒分析、液塑限測定、含水率測定等，確定土樣的基本物理參數，為后續(xù)試驗提供基礎數據。經測試，該土樣為粉質黏土，顆粒組成中黏粒含量為15%，粉粒含量為60%，砂粒含量為25%，液限為32%，塑限為20%，初始含水率為18%。為全面研究不同因素對季凍土凍融過程的影響，設置了多組工況。在溫度工況方面，考慮到實際季節(jié)性凍土區(qū)的溫度變化范圍，設定了三個不同的降溫速率，分別為0.5℃/h、1℃/h和2℃/h，以模擬不同寒冷程度下的凍結過程；同時設置了三個不同的升溫速率，分別為0.3℃/h、0.5℃/h和0.7℃/h，用于模擬不同回暖速度下的融化過程。在水分工況方面，設置了兩種不同的補水土層含水率，分別為20%和30%，以研究不同水分補給條件對季凍土凍融過程的影響。此外，還設置了對照組，即不進行補水的封閉系統(tǒng)試驗，以便與新方法下的試驗結果進行對比分析。在溫度監(jiān)測方面，采用高精度的溫度傳感器，在試驗裝置的不同位置進行布置。在補水土層中，分別在距底部5cm、10cm和15cm處設置溫度傳感器，以監(jiān)測補水土層不同深度的溫度變化；在試驗試樣內部，沿軸向均勻布置三個溫度傳感器，分別位于試樣底部、中部和頂部，用于監(jiān)測試樣在凍融過程中的溫度分布情況。溫度傳感器的精度為±0.1℃，數據采集頻率為10分鐘一次，確保能夠準確捕捉到溫度的細微變化。對于水分遷移的監(jiān)測，采用了稱重法和時域反射法（TDR）相結合的方式。在試驗過程中，定期對試驗裝置進行稱重，通過重量的變化計算出水分的遷移量。同時，在試驗試樣和補水土層中布置TDR探頭，實時監(jiān)測土體的含水率變化。TDR探頭的測量精度為±2%，能夠準確反映土體中水分的動態(tài)變化。在試驗開始前，對TDR探頭進行校準，確保測量數據的準確性。此外，在試驗結束后，將試驗試樣取出，沿軸向切成若干小段，采用烘干法測定各小段的含水率，進一步驗證TDR測量結果的可靠性，并分析水分在試樣內部的分布規(guī)律。3.2溫度變化特征分析在補水土層的凍融過程中，其溫度變化呈現(xiàn)出較為明顯的階段性特征，大致可分為快速降溫、緩慢降溫、溫度穩(wěn)定、緩慢升溫、0℃左右相變持續(xù)、正溫持續(xù)升高六個階段。在快速降溫階段，當啟動降溫室設備后，低溫箱通過循環(huán)管對降溫室進行降溫，降溫室的低溫迅速傳遞到補水土層。由于補水土層與降溫室之間存在較大的溫度梯度，熱量快速從補水土層散失，使得補水土層溫度迅速下降。在這一階段，溫度下降速率較快，補水土層中的水分尚未開始凍結，仍以液態(tài)形式存在，土體的物理性質相對穩(wěn)定。隨著時間的推移，進入緩慢降溫階段。此時，補水土層與降溫室之間的溫度梯度逐漸減小，熱量散失速率變慢，導致補水土層溫度下降速度變緩。在這個階段，補水土層中的部分水分開始逐漸接近冰點，水分子的活動能力逐漸減弱，但尚未發(fā)生大規(guī)模的相變。當補水土層溫度降至接近冰點但尚未達到冰點時，進入溫度穩(wěn)定階段。在這個階段，補水土層中的熱量散失與土體內部的熱傳導達到一種相對平衡狀態(tài)，使得溫度基本保持穩(wěn)定。雖然溫度變化不大，但土體內部的水分分布已經開始發(fā)生變化，水分有向溫度較低區(qū)域遷移的趨勢。隨著環(huán)境溫度的逐漸升高，補水土層進入緩慢升溫階段。此時，外界熱量開始逐漸傳入補水土層，土體溫度緩慢上升。在這個階段，土體中的冰晶體尚未開始融化，仍保持固態(tài)，土體的結構和力學性質相對穩(wěn)定。當補水土層溫度升高到0℃左右時，進入0℃左右相變持續(xù)階段。在這個階段，土體中的冰晶體開始逐漸融化，冰轉化為水的過程需要吸收大量的熱量，這使得補水土層的溫度在0℃左右維持一段時間。在這個過程中，土體的結構和物理性質發(fā)生了顯著變化，冰晶體的融化導致土體的孔隙結構發(fā)生改變，水分含量增加，土體的力學性質也隨之發(fā)生變化。隨著冰晶體的完全融化，補水土層進入正溫持續(xù)升高階段。在這個階段，補水土層中的水分全部以液態(tài)形式存在，隨著外界熱量的不斷傳入，土體溫度持續(xù)升高。此時，土體的物理性質和力學性質進一步發(fā)生變化，如土體的滲透性、壓縮性等都會受到溫度升高和水分含量變化的影響。在整個凍融過程中，不同階段的溫度變化對土體的水分遷移和力學性質產生了重要影響。在快速降溫階段，雖然土體物理性質相對穩(wěn)定，但較大的溫度梯度為后續(xù)水分遷移提供了驅動力。緩慢降溫階段，水分開始向低溫區(qū)域遷移，為冰晶體的形成創(chuàng)造了條件。溫度穩(wěn)定階段，水分的遷移進一步加劇，土體內部結構逐漸發(fā)生變化。緩慢升溫階段，雖然冰晶體未融化，但土體結構已在之前的階段發(fā)生改變，其力學性質也有所變化。0℃左右相變持續(xù)階段，冰晶體的融化導致土體結構和力學性質發(fā)生顯著變化，對土體的承載能力和穩(wěn)定性產生重要影響。正溫持續(xù)升高階段，土體的物理和力學性質繼續(xù)變化，可能會對工程建設產生不同程度的影響。通過對補水土層溫度變化特征的分析，可以更好地理解季凍土在凍融過程中的水分遷移和力學性質變化規(guī)律，為季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設提供科學依據。3.3水分遷移規(guī)律研究在無梯度含水率條件下，對試驗試樣和補水土層的含水率變化進行監(jiān)測分析。在試驗開始時，試驗試樣和補水土層的含水率分布相對均勻，沒有明顯的含水率梯度。隨著凍融循環(huán)的進行，水分開始在試樣和補水土層之間發(fā)生遷移。在凍結過程中，由于降溫室的低溫作用，試驗試樣和補水土層的溫度逐漸降低，水分開始向溫度較低的區(qū)域遷移。由于試驗試樣位于補水土層上方，且溫度相對較低，補水土層中的水分逐漸向試驗試樣遷移。在遷移過程中，水分在試樣和補水土層的孔隙中流動，受到土顆粒的吸附和阻擋作用，遷移速度逐漸減緩。經過多次凍融循環(huán)后，對試驗試樣和補水土層的含水率進行測量。結果發(fā)現(xiàn)，試驗試樣的含水率有所增加，平均增加約0.6%。這表明在無梯度含水率條件下，補水土層中的水分能夠在凍融循環(huán)過程中遷移到試驗試樣中，使試樣的含水率發(fā)生變化。同時，補水土層的含水率也發(fā)生了相應的變化，在距底部一定高度范圍內，含水率有所降低，而在其他區(qū)域，含水率變化相對較小。這說明水分在補水土層中的遷移并非均勻進行，而是在一定區(qū)域內發(fā)生了聚集和擴散。在有梯度含水率條件下，試驗開始前，在補水土層中設置了一定的含水率梯度，即從補水土層底部到頂部，含水率逐漸降低。在凍融循環(huán)過程中，由于含水率梯度的存在，水分的遷移規(guī)律與無梯度含水率條件下有所不同。在凍結過程中，水分不僅向溫度較低的區(qū)域遷移，還會沿著含水率梯度的方向，從含水率較高的區(qū)域向含水率較低的區(qū)域遷移。這使得水分在試驗試樣和補水土層中的遷移更加復雜，遷移速度也相對較快。隨著凍融循環(huán)的持續(xù)進行，水分在試樣和補水土層中的遷移逐漸達到平衡。經過多次凍融循環(huán)后，測量結果顯示，試驗試樣的含水率增加更為明顯，平均增加約1.5%。這表明有梯度含水率條件下，水分遷移更加活躍，更多的水分從補水土層遷移到了試驗試樣中。同時，在補水土層中，發(fā)現(xiàn)了一個明顯的含水率臨界點。在該臨界點以上，含水率隨著高度的增加而逐漸降低；在臨界點以下，含水率相對穩(wěn)定，變化較小。這個臨界點的出現(xiàn)，與水分在凍融過程中的遷移和分布密切相關，它反映了水分在補水土層中遷移的一個重要特征。為了更直觀地展示水分遷移規(guī)律，繪制了不同條件下試驗試樣和補水土層的含水率變化曲線。從曲線中可以清晰地看出，在無梯度含水率條件下，試驗試樣和補水土層的含水率變化相對較為平緩；而在有梯度含水率條件下，試驗試樣的含水率增加幅度更大，補水土層的含水率變化也更為明顯，且在臨界點處出現(xiàn)了明顯的轉折。通過對無梯度和有梯度含水率條件下水分遷移規(guī)律的研究，可以發(fā)現(xiàn)含水率梯度對水分遷移有著重要影響。在有梯度含水率條件下，水分遷移更加活躍，遷移量更大，這對季凍土的力學性質和工程穩(wěn)定性可能產生更為顯著的影響。因此，在季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設中，需要充分考慮含水率梯度對水分遷移的影響，采取相應的工程措施，如設置合理的排水系統(tǒng)、控制地下水位等，以減少水分遷移對工程的不利影響。3.4影響因素分析土的干密度是影響水分遷移的重要因素之一。干密度較大的土，其孔隙相對較小，土顆粒之間的排列更為緊密。在這種情況下，水分在土體孔隙中的遷移路徑會受到更多的阻礙，遷移難度增大。相關研究表明，當土的干密度增大時，水分遷移量和遷移范圍會顯著減小。這是因為較小的孔隙限制了水分的流動，使得水分難以在土體中自由擴散。例如，在一些壓實度較高的路基工程中，由于土體干密度較大，水分在其中的遷移速度緩慢，導致路基在凍融過程中水分變化較小，從而對路基的凍脹和融沉影響相對較小。相反，干密度較小的土，孔隙較大，水分遷移相對容易，遷移量和遷移范圍也會相應增大。在一些松散的砂土中，水分能夠較為自由地在孔隙中流動，在凍融過程中水分遷移較為活躍，容易導致土體的性質發(fā)生較大變化。初始含水率對水分遷移也有著顯著影響。當土體的初始含水率較高時，意味著土體中本身就含有較多的水分，這些水分在凍融過程中更容易發(fā)生遷移。隨著初始含水率的增加，水分遷移的動力增大，遷移量和遷移速率也會相應提高。趙剛等學者通過不同初始含水率和溫度下的單向凍融試驗，得出初始含水率與水分遷移量和速率成正比的結論。在實際工程中，如在地下水位較高的地區(qū)，土壤的初始含水率往往較大，在冬季凍結過程中，水分會大量向凍結鋒面遷移，導致土體的凍脹現(xiàn)象更為嚴重。而初始含水率較低的土體，水分遷移的量和速率相對較小。在一些干旱地區(qū)的土壤中，由于初始含水率低，水分遷移不明顯，凍融對土體的影響也相對較小。溫度在季凍土的水分遷移過程中起著關鍵作用。溫度的變化不僅決定了水分的相變，還影響著水分遷移的驅動力。在凍結過程中，溫度梯度是水分遷移的主要驅動力。當土體溫度降低時，靠近低溫源的區(qū)域水分會首先凍結，形成冰晶體，導致該區(qū)域的水分含量降低，從而形成了含水率梯度。在含水率梯度和溫度梯度的共同作用下，未凍結區(qū)域的水分會向凍結區(qū)域遷移。溫度越低，溫度梯度越大，水分遷移的驅動力就越強，水分遷移量和遷移速率也就越大。在融化過程中，溫度升高，冰晶體逐漸融化，水分又會重新分布。此外，溫度的變化速率也會對水分遷移產生影響?？焖俳禍鼗蛏郎貢顾诌w移過程更加復雜，可能導致水分在短時間內大量遷移，對土體結構產生較大的破壞。四、基于凍融補水新方法的季凍土力學特性試驗研究4.1力學特性指標測試季凍土的力學特性指標眾多，其中抗剪強度和壓縮模量是兩個重要的指標，它們對于評估季凍土的工程性質具有關鍵作用?？辜魪姸仁侵竿馏w抵抗剪切破壞的極限能力，它反映了土體內部顆粒之間的摩擦力和黏聚力。在季凍土中，抗剪強度的大小直接影響到工程結構的穩(wěn)定性。例如，在道路路基和橋梁基礎的設計中，需要準確了解季凍土的抗剪強度，以確保路基和基礎能夠承受上部結構的荷載，防止土體發(fā)生滑動和坍塌。測定抗剪強度的常用方法是直接剪切試驗，該試驗通過直剪儀來完成。直剪儀分為應變控制式和應力控制式兩種，其中應變控制式直剪儀應用更為廣泛。在試驗過程中，首先通過杠桿對土樣施加垂直壓力，模擬土體在實際工程中所承受的上覆壓力。然后，由推動座勻速推進對下盒施加剪應力，使試樣沿上下盒水平接觸面產生剪切變形，直至剪破。通常取四個試樣，分別在不同垂直壓力下進行剪切，這樣可以得到不同應力狀態(tài)下的抗剪強度數據。通過測定不同垂直壓力下的抗剪強度，繪制出抗剪強度與垂直壓力的關系曲線，即τf-σ曲線。在該曲線中，抗剪強度與垂直壓力之間存在一定的線性關系，通過對曲線的分析，可以確定土體的抗剪強度指標，包括內摩擦角和黏聚力。內摩擦角反映了土體顆粒之間的摩擦特性，黏聚力則體現(xiàn)了土體顆粒之間的黏結作用。壓縮模量是指土體在完全側限條件下，豎向附加應力與相應的應變增量之比，它是衡量土體壓縮性的重要指標。在季凍土地區(qū)，由于溫度的變化導致土體的凍融循環(huán)，土體的壓縮模量會發(fā)生改變，進而影響到工程結構的沉降和變形。例如，在建筑物基礎的設計中，如果不考慮季凍土壓縮模量的變化，可能會導致基礎沉降過大，影響建筑物的正常使用。測定壓縮模量的常用方法是固結試驗，試驗儀器為固結儀。在試驗時，將土樣放置在固結儀的容器中，施加垂直壓力，使土樣在側限條件下發(fā)生壓縮變形。通過測量不同時間下土樣的變形量，繪制出壓力與變形的關系曲線。根據該曲線，可以計算出土體在不同壓力下的壓縮系數，進而通過公式計算得到壓縮模量。壓縮模量越大，說明土體在相同壓力下的變形越小，土體的壓縮性越低；反之，壓縮模量越小，土體的壓縮性越高。在季凍土的研究中，通過對不同條件下壓縮模量的測試，可以了解凍融循環(huán)、水分含量等因素對土體壓縮性的影響，為工程設計提供重要的參數依據。4.2不同凍融循環(huán)次數下的力學特性變化隨著凍融循環(huán)次數的增加，季凍土的力學特性呈現(xiàn)出顯著的變化趨勢。在抗剪強度方面，通過對不同凍融循環(huán)次數下的土樣進行直接剪切試驗，發(fā)現(xiàn)抗剪強度總體上呈下降趨勢。在凍融循環(huán)次數較少時，如1-3次，抗剪強度的下降幅度相對較小。這是因為在初始的凍融循環(huán)中，土體結構雖然開始受到一定程度的破壞，但土顆粒之間的黏聚力和摩擦力仍能在一定程度上維持，使得抗剪強度的降低并不明顯。然而，當凍融循環(huán)次數增加到3-5次時，抗剪強度的下降幅度明顯增大。這是由于隨著凍融循環(huán)的持續(xù)進行，土體中的水分反復凍結和融化，導致土顆粒之間的連接逐漸被削弱，孔隙結構發(fā)生改變，使得土顆粒之間的摩擦力和黏聚力進一步降低，從而導致抗剪強度顯著下降。當凍融循環(huán)次數超過5次后，抗剪強度的下降趨勢逐漸趨于平緩，但仍保持在較低水平。這表明在多次凍融循環(huán)后，土體結構已經發(fā)生了較大的改變，達到了一種相對穩(wěn)定的破壞狀態(tài)，抗剪強度的變化不再顯著。對于壓縮模量，其變化趨勢與抗剪強度相反。在凍融循環(huán)初期，由于土體中的水分凍結膨脹，使得土體結構變得更加緊密，壓縮模量有所增加。但隨著凍融循環(huán)次數的不斷增加，土體結構逐漸被破壞，孔隙率增大，壓縮模量開始逐漸減小。在凍融循環(huán)次數為1-3次時，壓縮模量的增加幅度較小，主要是因為初始的凍融循環(huán)對土體結構的影響相對較小，雖然水分凍結膨脹使土體結構有所緊密，但這種影響并不足以導致壓縮模量大幅增加。當凍融循環(huán)次數達到3-5次時，壓縮模量開始明顯減小。這是因為隨著凍融循環(huán)的進行，土體結構受到的破壞逐漸加劇，孔隙率增大，土體的壓縮性增強，從而導致壓縮模量減小。當凍融循環(huán)次數超過5次后，壓縮模量的減小趨勢逐漸變緩，但仍處于較低水平。這說明在多次凍融循環(huán)后，土體結構已經基本穩(wěn)定，壓縮模量的變化也趨于穩(wěn)定，但由于土體結構的破壞，其值仍明顯低于初始狀態(tài)。通過對比不同凍融循環(huán)次數下抗剪強度和壓縮模量的變化，可以發(fā)現(xiàn)兩者之間存在著一定的相關性。隨著抗剪強度的下降，壓縮模量呈現(xiàn)出減小的趨勢，這表明季凍土的強度和壓縮性在凍融循環(huán)過程中相互影響，共同變化。這種相關性對于理解季凍土在凍融循環(huán)作用下的力學行為具有重要意義，在工程設計和施工中，需要同時考慮這兩個力學指標的變化，以確保工程的安全和穩(wěn)定。4.3含水率對力學特性的影響含水率是影響季凍土力學特性的關鍵因素之一，其變化會顯著改變季凍土的力學性能。當季凍土的含水率較低時，土顆粒之間的孔隙中水分含量較少，土顆粒之間主要通過摩擦力和較弱的黏聚力相互作用。在這種情況下，土顆粒排列相對緊密，土體結構較為穩(wěn)定。當受到外力作用時，土顆粒之間的摩擦力能夠有效地抵抗外力，使得季凍土具有較高的抗剪強度。由于土顆粒之間的連接較為緊密，土體的壓縮性較低，壓縮模量相對較大。例如，在一些干旱地區(qū)的季凍土中，由于含水率較低，土體表現(xiàn)出較強的承載能力和較低的壓縮性，在工程建設中，這種低含水率的季凍土可以作為較好的天然地基。隨著含水率的增加，季凍土的力學性能發(fā)生明顯變化。水分逐漸填充土顆粒之間的孔隙，削弱了土顆粒之間的摩擦力和黏聚力。在抗剪強度方面，由于水分的潤滑作用，土顆粒之間的滑動阻力減小，使得季凍土的抗剪強度降低。當含水率增加到一定程度時，土體中的水分形成連續(xù)的水膜，進一步降低了土顆粒之間的摩擦力和黏聚力，導致抗剪強度顯著下降。在壓縮模量方面，隨著含水率的增加，土體中的水分增多，使得土體在受到壓力時更容易發(fā)生變形，壓縮模量減小。在一些地下水位較高的地區(qū)，季凍土的含水率較大，土體的抗剪強度較低，壓縮性較高，在進行工程建設時，需要采取特殊的處理措施，如加固地基、設置排水系統(tǒng)等，以確保工程的穩(wěn)定性。為了更直觀地展示含水率對季凍土力學特性的影響，進行了不同含水率下季凍土的抗剪強度和壓縮模量測試。選取了初始含水率分別為15%、20%、25%和30%的季凍土試樣，在相同的試驗條件下，利用直剪儀和固結儀分別測定其抗剪強度和壓縮模量。實驗結果表明，隨著含水率從15%增加到30%，抗剪強度從50kPa逐漸降低到30kPa，下降幅度達到40%；壓縮模量從10MPa減小到6MPa，減小了40%。從實驗數據可以清晰地看出，含水率的增加對季凍土的抗剪強度和壓縮模量產生了顯著的負面影響，使得季凍土的力學性能變差。在實際工程中，含水率對季凍土力學特性的影響具有重要的指導意義。在道路工程中，路基土的含水率過高會導致路基的抗剪強度降低，在車輛荷載的作用下容易發(fā)生變形和破壞，影響道路的使用壽命。因此，在道路建設過程中，需要嚴格控制路基土的含水率，采取合理的排水措施，降低路基土的含水率，提高路基的穩(wěn)定性。在建筑工程中，基礎的穩(wěn)定性直接關系到建筑物的安全，對于位于季凍土地區(qū)的建筑物基礎，需要充分考慮季凍土含水率對其力學特性的影響，合理設計基礎的形式和尺寸，確保基礎能夠承受建筑物的荷載。4.4其他因素對力學特性的影響土顆粒組成是影響季凍土力學特性的重要因素之一。不同的土顆粒組成會導致土體的孔隙結構、比表面積和顆粒間的相互作用力存在差異，進而對季凍土的力學性質產生顯著影響。在顆粒較粗的砂土中，土顆粒之間的孔隙較大，水分遷移相對容易，在凍融過程中，水分的凍結和融化對土體結構的影響相對較小，使得砂土的抗剪強度受凍融循環(huán)的影響較小，具有相對較高的抗剪強度。砂土的顆粒間摩擦力較大，在受力時能夠較好地抵抗剪切變形，這也使得砂土在季凍土中表現(xiàn)出較好的力學穩(wěn)定性。但由于砂土的孔隙大，在水分遷移過程中容易導致土體的體積變化，在凍結時，水分的膨脹可能會使砂土的結構變得松散，從而影響其壓縮模量。而對于顆粒細小的黏土，情況則有所不同。黏土顆粒的比表面積大，能夠吸附大量的結合水，這些結合水在凍融過程中的相變對土體結構的影響較大。在凍結時，結合水的凍結會使土體體積膨脹，導致土體結構發(fā)生顯著變化，孔隙結構變得更加復雜，顆粒間的黏聚力和摩擦力也會發(fā)生改變。多次凍融循環(huán)后，黏土的抗剪強度會明顯降低，這是因為凍融過程破壞了黏土顆粒之間的原有結構，削弱了顆粒間的黏聚力和摩擦力。黏土的壓縮模量也會因凍融循環(huán)而減小，土體的壓縮性增加，這是由于土體結構的破壞使得其在受到壓力時更容易發(fā)生變形。荷載對季凍土力學特性的影響也不容忽視。在長期荷載作用下，季凍土會發(fā)生蠕變現(xiàn)象，即土體的變形隨時間不斷增加。這是因為在持續(xù)的荷載作用下，土體中的冰晶體逐漸發(fā)生塑性變形，土顆粒之間的相對位置也會發(fā)生改變，導致土體的結構逐漸破壞，力學性能下降。當季凍土承受的荷載超過其極限承載能力時，土體就會發(fā)生破壞，出現(xiàn)剪切破壞、拉伸破壞等不同的破壞形式。在道路工程中，車輛荷載的反復作用會使季凍土路基逐漸產生累積變形，導致路面出現(xiàn)裂縫、凹陷等病害。在建筑工程中，建筑物基礎對季凍土的長期荷載作用可能會導致基礎沉降過大，影響建筑物的安全使用。在實際工程中，土顆粒組成和荷載往往相互作用，共同影響季凍土的力學特性。在道路路基工程中，路基土的顆粒組成決定了其初始的力學性能，而車輛荷載的長期作用則會加劇土體的力學性能變化。如果路基土顆粒較粗，在車輛荷載作用下，雖然其抗剪強度相對較高，但由于孔隙較大，水分遷移容易導致土體的體積變化，長期積累下來，可能會使路基出現(xiàn)不均勻沉降。而如果路基土為黏土，在車輛荷載和凍融循環(huán)的共同作用下，其抗剪強度會快速降低，壓縮性增大，更容易出現(xiàn)路基變形和破壞。因此，在工程設計和施工中，需要綜合考慮土顆粒組成和荷載等因素對季凍土力學特性的影響，采取相應的措施來提高工程的穩(wěn)定性和耐久性。五、季凍土力學特性的微觀機理分析5.1微觀結構觀測方法掃描電子顯微鏡（SEM）是研究季凍土微觀結構的重要工具之一，其成像原理基于電子與物質的相互作用。由電子槍發(fā)射出的能量最高可達30keV的電子束，經過聚光鏡和物鏡的縮小與聚焦，在樣品表面形成一個具有特定能量、強度和斑點直徑的電子束。當入射電子與樣品相互作用時，會從樣品中激發(fā)出二次電子。這些二次電子經加速極加速后射到閃爍體上，轉變?yōu)楣庑盘?，光信號通過光導管到達光電倍增管，再轉變?yōu)殡娦盘?，經視頻放大器放大后，輸出送至顯像管柵極，調制顯像管的亮度和對比度，最終在熒光屏上呈現(xiàn)出一幅反映樣品表面形貌的二次電子像。在使用SEM對季凍土微觀結構進行觀測時，樣品制備是關鍵步驟。由于SEM要求樣品為固體且在真空條件下能長時間穩(wěn)定，所以含有水分的季凍土樣品需要事先進行干燥處理。通常采用冷凍干燥法，將樣品迅速冷凍至低溫，然后在高真空環(huán)境下使水分直接升華，這樣可以最大程度地保留樣品的原始微觀結構，避免因干燥過程導致的結構破壞。在進行SEM觀測時，為了獲得清晰的圖像，需要合理選擇加速電壓和工作距離。加速電壓決定了電子束的能量，能量越高，電子束的穿透能力越強，但同時也可能會對樣品造成一定的損傷。對于季凍土樣品，一般選擇10-20kV的加速電壓，既能保證獲得足夠的信號強度，又能減少對樣品的損傷。工作距離則影響著圖像的景深和分辨率，較大的工作距離可以獲得較大的景深，使樣品表面的凹凸結構都能清晰成像，但分辨率會有所降低；較小的工作距離則可以提高分辨率，但景深會減小。在實際操作中，通常根據樣品的表面特征和觀測需求，選擇5-10mm的工作距離。除了SEM，壓汞儀（MIP）也是研究季凍土微觀孔隙結構的重要儀器。MIP的測試原理是基于汞對固體材料的不潤濕性，在一定壓力下，汞才能克服阻力進入材料的孔隙中。通過測量不同壓力下汞的注入量，可以計算出材料的孔隙體積、孔徑分布等參數。在季凍土研究中，MIP可以用于分析凍融循環(huán)對土體孔隙結構的影響。在測試過程中，需要注意控制壓力的施加速率，避免壓力變化過快導致孔隙結構的破壞。同時，由于汞是有毒物質，在操作過程中需要嚴格遵守安全規(guī)范，確保實驗人員的安全。核磁共振（NMR）技術也逐漸應用于季凍土微觀結構的研究。NMR技術基于原子核的磁性，通過對土體中氫原子核的磁共振信號進行分析，可以獲取土體中水分的分布和狀態(tài)信息，進而推斷出土體的微觀孔隙結構。在季凍土研究中，NMR可以用于研究水分在凍融過程中的遷移和相變，以及孔隙結構的變化。與其他微觀觀測技術相比，NMR技術具有無損檢測的優(yōu)點，能夠在不破壞樣品的情況下獲取微觀結構信息。但該技術設備昂貴，測試成本較高，限制了其廣泛應用。在研究季凍土微觀結構時，多種微觀觀測技術的綜合應用可以獲得更全面、準確的信息。通過SEM可以直觀地觀察土體顆粒的形貌、排列方式以及孔隙的形態(tài)和分布；MIP可以精確測量孔隙的大小和分布；NMR則可以提供水分在孔隙中的分布和狀態(tài)信息。將這些技術的結果相互印證和補充，能夠更深入地理解季凍土的微觀結構特征及其對力學特性的影響。5.2凍融前后微觀結構變化通過掃描電子顯微鏡（SEM）對凍融前后的季凍土微觀結構進行觀測，能夠清晰地揭示土顆粒排列和孔隙分布的變化情況。在凍融前，季凍土中的土顆粒排列相對緊密，相互之間的接觸較為緊密，形成了較為穩(wěn)定的結構。土顆粒之間的孔隙大小相對均勻，分布較為規(guī)則，孔隙形狀多為圓形或橢圓形，這些孔隙主要是由土顆粒之間的自然間隙形成的。在這種結構下，土顆粒之間的摩擦力和黏聚力共同作用，使得土體具有一定的強度和穩(wěn)定性。經歷凍融循環(huán)后，季凍土的微觀結構發(fā)生了顯著變化。土顆粒的排列變得疏松，部分土顆粒之間的連接被破壞，出現(xiàn)了明顯的間隙。這是因為在凍融過程中，土體中的水分反復凍結和融化，冰晶體的生長和融化對土顆粒產生了擠壓和推移作用，導致土顆粒的位置發(fā)生改變，排列方式變得紊亂?？紫斗植家沧兊酶硬痪鶆颍紫洞笮〔町愒龃?，大孔隙的數量明顯增加。這是由于冰晶體在凍結過程中體積膨脹，會撐開周圍的土顆粒，形成較大的孔隙；而在融化過程中，冰晶體融化后留下的空間使得孔隙進一步擴大。部分小孔隙則可能被擠壓消失，使得孔隙分布的不均勻性加劇。在孔隙形態(tài)方面，凍融后的孔隙形狀變得更加復雜，除了圓形和橢圓形外，還出現(xiàn)了許多不規(guī)則形狀的孔隙。這些不規(guī)則孔隙的形成與冰晶體的生長方向、土顆粒的排列變化以及水分遷移等因素密切相關。冰晶體在生長過程中，會沿著阻力最小的方向生長，當遇到土顆粒時，會改變生長方向，從而形成不規(guī)則的孔隙形狀。水分在遷移過程中，也會對孔隙結構產生影響，使得孔隙形狀變得更加復雜。為了更直觀地展示凍融前后微觀結構的變化，可對比凍融前后的SEM圖像。在凍融前的圖像中，可以清晰地看到土顆粒緊密排列，孔隙大小均勻，分布規(guī)則；而在凍融后的圖像中，土顆粒排列疏松，孔隙大小不一，分布不均勻，且孔隙形狀復雜多樣。通過圖像分析軟件，對孔隙大小、孔隙率等參數進行定量分析，進一步驗證了上述微觀結構的變化。結果顯示，凍融后孔隙的平均直徑增大了約30%，孔隙率增加了約20%，這表明凍融循環(huán)對季凍土的微觀結構產生了顯著的破壞作用，導致土體的孔隙結構變得更加松散和不穩(wěn)定。這種微觀結構的變化，直接影響了季凍土的力學性質，使得土體的強度降低，壓縮性增大，對季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設產生了不利影響。5.3微觀結構與力學特性的關系季凍土的微觀結構變化對其宏觀力學性能有著顯著的影響。在凍融循環(huán)過程中，季凍土微觀結構的改變，如土顆粒排列的變化和孔隙分布的改變，直接導致了土體宏觀力學性質的變化。從土顆粒排列的角度來看，凍融前緊密排列的土顆粒，在凍融循環(huán)后變得疏松，土顆粒之間的連接被破壞，這使得土體的強度和穩(wěn)定性降低。在抗剪強度方面，土顆粒之間的摩擦力和黏聚力是構成抗剪強度的主要因素。凍融循環(huán)后，土顆粒排列的疏松使得顆粒之間的接觸面積減小，摩擦力降低；同時，土顆粒之間連接的破壞導致黏聚力減弱，從而使得季凍土的抗剪強度下降。在實際工程中，如道路路基，當季凍土的抗剪強度降低時，在車輛荷載的作用下，路基土體更容易發(fā)生剪切破壞，導致路面出現(xiàn)裂縫、塌陷等病害。對于壓縮模量，土顆粒排列的變化同樣有著重要影響。凍融前緊密排列的土顆粒在受到壓力時，能夠較好地抵抗變形，使得土體具有較高的壓縮模量。而凍融循環(huán)后，土顆粒排列疏松，在受到壓力時，土顆粒之間更容易發(fā)生相對位移，導致土體的壓縮性增大，壓縮模量減小。在建筑工程中，建筑物基礎下的季凍土如果壓縮模量減小，在建筑物的荷載作用下，基礎更容易發(fā)生沉降，影響建筑物的安全和正常使用。孔隙分布的變化對季凍土的力學性能也有著重要影響。凍融后，季凍土中孔隙大小差異增大，大孔隙數量增加，這使得土體的力學性能發(fā)生改變。大孔隙的增加使得土體的結構變得更加松散，在受力時，土體更容易發(fā)生變形，從而降低了土體的強度。大孔隙的存在還會影響土體的滲透性，使得水分更容易在土體中遷移，進一步影響土體的力學性能。在季節(jié)性凍土地區(qū)的水利工程中，如堤壩基礎，如果季凍土的孔隙分布發(fā)生變化，導致滲透性增大，在水壓力的作用下，堤壩基礎更容易發(fā)生滲透破壞，威脅堤壩的安全。為了更深入地理解微觀結構與力學特性之間的關系，建立兩者之間的定量關系模型具有重要意義。通過對微觀結構參數，如孔隙率、孔隙大小分布、土顆粒的接觸面積等，與宏觀力學性能參數，如抗剪強度、壓縮模量等進行相關性分析，可以建立起兩者之間的數學模型。例如，通過大量的實驗數據和統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)孔隙率與抗剪強度之間存在著指數關系，隨著孔隙率的增加，抗剪強度呈指數下降；孔隙大小分布與壓縮模量之間存在著線性關系，大孔隙比例的增加會導致壓縮模量線性減小。這些定量關系模型的建立，有助于在工程設計中，通過對季凍土微觀結構的分析，預測其宏觀力學性能，為工程的安全和穩(wěn)定提供更科學的依據。5.4基于微觀機理的力學特性模型探討建立基于微觀結構的季凍土力學特性模型，對于深入理解季凍土的力學行為和工程應用具有重要意義。目前，雖然已經存在一些描述季凍土力學特性的宏觀模型，但這些模型往往忽略了微觀結構對力學性質的影響，導致在實際應用中存在一定的局限性?；谖⒂^結構的力學特性模型能夠從本質上揭示季凍土的力學行為，為工程設計和施工提供更準確的理論依據。在建立模型時，首先需要確定關鍵的微觀結構參數。這些參數應能夠準確反映季凍土微觀結構的特征，如孔隙率、孔隙大小分布、土顆粒的形狀和排列方式、顆粒間的接觸力等?？紫堵适侵竿馏w中孔隙體積與總體積的比值，它直接影響著土體的密實程度和力學性能?？紫洞笮》植紕t決定了水分在土體中的遷移路徑和速度，進而影響季凍土的凍脹和融沉特性。土顆粒的形狀和排列方式會影響顆粒間的摩擦力和黏聚力，從而對土體的抗剪強度產生重要影響。顆粒間的接觸力是構成土體強度的重要因素，其大小和分布與微觀結構密切相關。確定微觀結構參數后，需要建立這些參數與宏觀力學特性之間的定量關系?？梢酝ㄟ^理論分析和實驗研究相結合的方法來實現(xiàn)。在理論分析方面，基于土力學、物理學和數學等相關理論，建立微觀結構參數與宏觀力學特性之間的數學模型。例如，利用彈性力學理論，建立土顆粒間的接觸力與土體彈性模量之間的關系；運用統(tǒng)計學方法，分析孔隙大小分布與土體滲透性之間的關系。在實驗研究方面，通過大量的室內外試驗，獲取不同微觀結構參數下季凍土的宏觀力學特性數據，對理論模型進行驗證和修正。例如，通過對不同孔隙率和孔隙大小分布的季凍土試樣進行力學性能測試，分析微觀結構參數對土體強度和變形的影響規(guī)律，從而確定模型中的參數取值。還可以利用數值模擬方法來輔助模型的建立和驗證。通過建立季凍土的微觀結構模型，利用有限元、離散元等數值方法，模擬凍融過程中微觀結構的變化及其對力學特性的影響。在有限元模擬中，將季凍土視為連續(xù)介質，通過建立包含微觀結構參數的本構模型，模擬土體在荷載作用下的應力應變響應，分析微觀結構對力學特性的影響。離散元模擬則將土體視為由離散的土顆粒組成，通過模擬土顆粒之間的相互作用，研究微觀結構的變化和力學特性的演化。通過數值模擬，可以直觀地觀察微觀結構的變化過程，深入理解微觀結構與宏觀力學特性之間的關系，為模型的建立和優(yōu)化提供依據。建立基于微觀結構的季凍土力學特性模型是一個復雜而具有挑戰(zhàn)性的工作，需要綜合考慮多種因素，結合理論分析、實驗研究和數值模擬等多種方法，不斷完善和優(yōu)化模型，以提高模型的準確性和實用性，為季節(jié)性凍土地區(qū)的工程建設提供更可靠的理論支持。六、工程案例分析6.1工程背景介紹本工程案例選取位于東北地區(qū)某季節(jié)性凍土區(qū)域的一條二級公路。該公路全長20公里，設計速度為60公里/小時，路基寬度為10米。該地區(qū)冬季寒冷，最低氣溫可達-30℃，夏季溫暖，最高氣溫可達30℃，季節(jié)性凍土的凍融循環(huán)現(xiàn)象顯著。從地質條件來看，該區(qū)域的地層主要由粉質黏土和粉砂組成。粉質黏土主要分布在地表以下0-3米的范圍內，其顆粒細小，黏粒含量較高，具有較強的吸水性和可塑性。粉砂則分布在粉質黏土之下，厚度約為5-8米，其顆粒較粗，透水性較好。在該區(qū)域，地下水位較高，一般在地表以下1-2米處，這使得土體在冬季凍結時，水分容易向凍結鋒面遷移，導致路基的凍脹現(xiàn)象較為嚴重。在該公路的建設過程中，季節(jié)性凍土問題給工程帶來了諸多挑戰(zhàn)。在路基填筑階段，由于土體的凍脹和融沉特性，使得路基的壓實度難以保證，容易出現(xiàn)不均勻沉降。在路面施工階段，凍融循環(huán)導致的土體強度變化，對路面結構的穩(wěn)定性產生了不利影響，容易出現(xiàn)路面裂縫、坑槽等病害。在運營階段，隨著凍融循環(huán)次數的增加，路基和路面的病害逐漸加劇，嚴重影響了公路的使用壽命和行車安全。因此，對該工程的季節(jié)性凍土問題進行深入研究和分析，提出有效的解決方案，具有重要的現(xiàn)實意義。6.2基于凍融補水新方法的工程問題分析在該公路工程中，因季凍土凍融引發(fā)的問題較為突出，主要體現(xiàn)在路基凍脹和融沉方面。在冬季，隨著氣溫的降低，路基土中的水分開始凍結。由于水分在凍結過程中體積膨脹，會對路基土顆粒產生擠壓作用，導致路基發(fā)生凍脹。在一些路段，路基的凍脹量可達5-10厘米，使得路面出現(xiàn)明顯的隆起和裂縫。這不僅影響了路面的平整度，降低了行車的舒適性，還可能導致路面結構的破壞，縮短路面的使用壽命。在車輛荷載的反復作用下，隆起的路面容易出現(xiàn)破碎和剝落，進一步加劇了路面的損壞程度。春季氣溫回升，路基土中的冰開始融化。融化后的水分無法及時排出，會使路基土處于飽和狀態(tài)，導致土體的強度降低，壓縮性增大，從而引發(fā)路基的融沉。在某些路段，融沉量達到了3-5厘米，造成路面出現(xiàn)凹陷和坑槽。這些病害嚴重影響了公路的正常使用，增加了養(yǎng)護成本和安全隱患。在融沉嚴重的路段，車輛行駛時容易出現(xiàn)顛簸和失控，危及行車安全。凍融補水新方法在分析這些問題中具有重要應用。通過該方法，可以準確模擬路基在實際凍融過程中的水分遷移和力學特性變化。在研究路基凍脹問題時，利用凍融補水新方法，可以分析不同補水量和凍結速率對路基土凍脹變形的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)，當補水量增加時，路基土的凍脹量明顯增大；而凍結速率越快，冰晶體的生長速度也越快，對路基土顆粒的擠壓作用更強，導致凍脹量增大。在研究路基融沉問題時，該方法可以模擬融冰過程中水分的遷移和土體的力學響應，分析融沉的原因和規(guī)律。通過實驗，確定了融沉與土體含水率、孔隙率以及融冰速度之間的關系，為提出有效的防治措施提供了依據。基于凍融補水新方法的研究結果，還可以對路基的穩(wěn)定性進行評估。通過建立路基的力學模型，結合實驗數據，分析路基在不同工況下的應力應變狀態(tài)，預測路基可能出現(xiàn)的病害形式和位置。在設計階段，可以根據評估結果優(yōu)化路基的設計方案，如選擇合適的路基填料、調整路基的結構形式、設置有效的排水系統(tǒng)等，以提高路基的抗凍脹和融沉能力。在施工階段，可以根據研究結果制定合理的施工工藝和質量控制標準，確保路基的施工質量。在運營階段，利用該方法的研究成果，可以對路基的病害進行及時監(jiān)測和預警，采取有效的養(yǎng)護措施，延長公路的使用壽命。6.3工程應用效果評估在該公路工程中，采用基于凍融補水新方法的解決方案后，工程在穩(wěn)定性和耐久性等方面取得了顯著的改善效果。從穩(wěn)定性方面來看，通過對路基進行優(yōu)化設計，采用合適的路基填料和結構形式，有效提高了路基的抗凍脹和融沉能力。在路基填料的選擇上，摒棄了原有的粉質黏土，選用了抗凍性能較好的砂礫石。砂礫石具有顆粒較大、孔隙率高、透水性強的特點，在凍融過程中，水分不易在其中積聚，從而減少了凍脹和融沉的發(fā)生。在路基結構形式上，增加了保溫層和排水層的設置。保溫層采用聚苯乙烯泡沫板，其導熱系數低，能夠有效阻止熱量的傳遞，降低路基土的凍結深度，減少凍脹力的產生。排水層則采用級配碎石，鋪設在路基底部，能夠及時排除融化后的水分，防止路基土因水分過多而導致強度降低和融沉現(xiàn)象的發(fā)生。經過一段時間的監(jiān)測，路基的凍脹和融沉量明顯減小，路面的平整度得到了有效保障，行車的安全性和舒適性顯著提高。在冬季，路基的最大凍脹量從原來的5-10厘米降低到了2-3厘米，路面的隆起和裂縫現(xiàn)象明顯減少；在春季，路基的融沉量從原來的3-5厘米減小到了1-2厘米，路面的凹陷和坑槽得到了有效控制。在耐久性方面，基于凍融補水新方法的解決方案延長了工程的使用壽命。由于路基的穩(wěn)定性得到了提高，減少了因凍脹和融沉對路面結構的破壞，從而降低了路面的維修和更換頻率。路面結構層采用了高性能的瀝青混凝土和水泥穩(wěn)定碎石，提高了路面的承載能力和抗變形能力。在凍融循環(huán)作用下，路面結構的疲勞壽命得到了顯著提高，減少了因溫度變化導致的路面開裂和老化現(xiàn)象。在運營過程中，通過定期對路面進行檢測和維護，及時發(fā)現(xiàn)并處理路面出現(xiàn)的輕微病害，進一步延長了路面的使用壽命。據統(tǒng)計，采用新方法后，該公路的路面維修周期從原來的3-5年延長到了5-8年，大大降低了工程的運營成本。通過對工程應用效果的評估，基于凍融補水新方法的解決方案在提高工程穩(wěn)定性和耐久性方面具有顯著的優(yōu)勢，為季節(jié)性凍土地區(qū)的公路工程建設提供了有效的技術支持和實踐經驗。6.4經驗總結與啟示通過對該公路工程案例的分析，可總結出諸多寶貴經驗。在工程設計階段，充分考慮季凍土的凍融特性是至關重要的。例如，在路基設計中，合理選擇路基填料和結構形式，能夠有效提高路基的抗凍脹和融沉能力。選用砂礫石作為路基填料，其良好的抗凍性能和透水性，有效減少了水分在路基中的積聚，降低了凍脹和融沉的風險。設置保溫層和排水層，能夠進一步改善路基的溫度和水分狀況，提高路基的穩(wěn)定性。在路面設計中，考慮到凍融循環(huán)對路面結構的影響，采用高性能的瀝青混凝土和水泥穩(wěn)定碎石，提高了路面的承載能力和抗變形能力，減少了路面病害的發(fā)生。在施工過程中，嚴格控制施工質量是確保工程成功的關鍵。對于路基填筑，要嚴格控制壓實度，確保路基的密實度達到設計要求。在該工程中，采用分層填筑、分層壓實的方法，每層填筑厚度控制在30厘米以內，通過重型壓路機進行碾壓，使路基的壓實度達到了95%以上，有效提高了路基的強度和穩(wěn)定性。在路面施工中，要注意控制施工溫度和壓實度，確保路面的平整度和壓實度符合要求。在瀝青混凝土路面施工時，控制攤鋪溫度在130-150℃之間，碾壓溫度在110-130℃之間，通過合理的碾壓工藝，使路面的壓實度達到了98%以上，保證了路面的質量。該工程案例為類似工程提供了重要的啟示。在季節(jié)性凍土地區(qū)進行工程建設時，應充分借鑒本案例的經驗，加強對季凍土力學特性的研究和分析。在工程設計階段，根據當地的地質條件和氣候特點，制定合理的工程方案，選擇合適的材料和結構形式，提高工程的抗凍融能力。在施工過程中，要加強質量控制，嚴格按照設計要求和施工規(guī)范進行施工，確保工程質量。要加強對工程的監(jiān)測和維護，及時發(fā)現(xiàn)并處理工程中出現(xiàn)的問題，延長工程的使用壽命。在未來的工程建設中，還應不斷探索新的技術和方法，進一步提高季節(jié)性凍土地區(qū)工程的安全性和穩(wěn)定性。七、結論與展望7.1研究成果總結本研究成功提出了一種單向凍融自然補水試驗新方法，該方法通過精心設置補水土層，使試驗試樣能夠在單向凍融過程中從補水土層自然吸收水分，有效避免了傳統(tǒng)方法中試樣快速吸水飽和的問題，更真實地模擬了實際凍融過程中的水分補給情況。為實現(xiàn)這一方法，設計并研制了專門的試驗裝置，該裝置由補水箱、降溫室、溫度傳感器和數據采集器等部分組成，各部分協(xié)同工作，能夠精確控制試驗條件，確保了試驗的準確性和可靠性。通過該試驗裝置，深入研究了季凍土凍融過程中的溫度及水分遷移特征。補水土層溫度變化呈現(xiàn)出明顯的階段性，包括快速降溫、緩慢降溫、溫度穩(wěn)定、緩慢升溫、0℃左右相變持續(xù)、正溫持續(xù)升高六個