近海含盐地层冻结二次相变特征及冻土强度性质

人工地层冻结技术广泛应用于软土隧道等地下工程，近年来在一些河口、近海甚至海底地下工程中得到越来越多的应用。河口、近海、海底地层受到海水侵蚀具有较高的含盐量，对冻结效果造成不利影响。课题以实验手段为主研究近海含盐地层的人工冻土基本性质，重点研究冻土二次相变时力学强度随温度下降突增的有利现象，建立了“海盐-水-地层”系统共晶点强度突变模型。另一方面，建立了人工地层冻结稳态温度场解析解求解方法——势函数叠加法，求解了人工地层冻结法常用的冻结管布置方式下的稳态温度场解析解，并建立了排形冻结管和圈形冻结管布置方式想稳态温度场的等效模型，推导了人工冻土结构平均温度的计算方法，形成了人工地层冻结温度场理论体系。以此为基础，结合冻土力学性质与温度的关系，获得了人工冻结冻土结构非均质特性的解析描述。进而，引入功能梯度材料概念，进行人工冻结非均质冻土结构力学性质的解析解求解，掌握了冻土结构应力-应变状态及承载力的变化规律。 2100433B

人工地层冻结技术广泛应用于软土隧道等地下工程，近年来在一些河口、近海甚至海底地下工程中得到越来越多的应用。由于河口、近海、海底地层受到海水侵蚀具有较高的含盐量，土的冻结温度降低、冻土强度下降、导热性能降低。这些含盐效应会对冻结效果造成不利影响，如冻土帷幕厚度减小、强度降低等，甚至构成安全威胁。课题以实验手段为主系统研究近海含盐地层的人工冻土基本性质，包括土的冻结温度、冻土强度、热物理参数和冻胀性质，并重点研究冻土二次相变时力学强度随温度下降突增的有利现象，建立海盐-水-地层系统共晶点强度突变模型，以挖掘冻土强度潜力。以此为基础，借助理论分析与数值分析手段，完善考虑冻结温度下降、热物理参数变化的温度场理论，通过冻土材料性质与温度的关系确定人工冻土结构的非均质的空间形态，建立考虑冻土非均质性、蠕变和冻胀特性的冻土结构应力-应变状态及承载力的力学模型，解决近海地下工程冻结法理论的基本问题。

冻土是指地表至100厘米范围内有永冻土壤温度状况，地表具多边形土或石环等冻融蠕动形态特征的土壤。本土纲相当于美国土壤系统分类的新成土纲（Entisol）、始成土纲（Inceptisol）、有机土纲（Histosol），联合国土壤分类的始成土（Cambisols）、潜育土（Gleysols）、粗骨土（Regosols）、有机土。它包括的土类有冰沼土（冰潜育土）和冻漠土。

冻土地温特征值冰沼土

冰沼土相当于美国系统分类中新成土纲的永冻性的冷冻正常新成土（Pergelic Cryorthent）和始成土纲的冷冻潮湿始成土（Cryaquepts），有机土纲中部分冷冻有机土。联合国土壤分类中始成土的冰冻始成土（Gelic cambisols）、潜育土中的冰冻潜育土（Gelic gleysols）、粗骨土纲中的冰冻粗骨土（Gelic regosols）、有机土纲（Histosols）中的冰冻有机土（Gelic histosols），所不同的是联合国分类是指在2米深度内有永冻层。

冻土地温特征值冻漠土

冻漠土在美国、联合国分类中还没有相应的土类。而与美国分类的干旱土和联合国分类的钙质土或石膏土有某些近似。

冻土地温特征值 （characteristic value of ground temperature），为冻土中年平均地温、地温年变化深度、活动层底面以下的年平均地温、年最高地温和年最低地温的总称。

分布西藏高原冻土分布广泛，可分为季节冻土、隔年冻土和多年冻土。多年冻土是由于大气层和地壳之间热量交换而形成的，并受到海拔高度控制。西藏多年冻土下界分布有显著的自北而南逐渐升高的趋势，其中昆仑山多年冻土下界为海拔4 200～4 300米，唐古拉山多年冻土下界为海拔4 600～4 700米，喜马拉雅山多年冻土下界为海拔5 000米，横断山多年冻土下界为海拔5 200～5 800米。黑阿公路以北至昆仑山—唐古拉山南坡的藏北高原北部，为严寒的大陆性气候，年均温为－2～－6℃，为连续多年冻土区；黑阿公路以南至年平均气温－2～－2．5℃等温线（大致与海拔1 600米高程一致），为隔年冻土和多年冻土区；－2℃等温线以南，除个别海拔高的高山之上有零星多年冻土分布外，多为季节冻土区。西藏多年冻土厚度变化较大，从9～100余米不等。冻土层温度和厚度受海拔高度控制，海拔越高、温度越低，多年冻土越厚。冻土层的温度和厚度也有随纬度的减低而升高和变薄的趋势，但不甚明显。