随着全球化的深入推进以及极地资源的开发,在全球冻土地区将要进行大量的工程活动。此外,在人工冻结法工程中,通过人工解冻手段对冻结地层融化过程进行干预是解决融沉变形问题的有效途径。微波照射冻土效率高,可用于冻土的快速解冻和辅助开挖。本文研究了微波照射下冻土的融化和软化规律以及冻土软化的微细观机制。研究表明:(1)微波照射85 s后初始温度为-15℃的冻土已完全融化,在微波穿透深度内,冻土内部和表面同步融化;(2)微波照射解冻的热效率远高于传统热传导解冻方法;(3)微波加热过程中冻土的温度变化存在明显的热弛豫阶段;(4)微波加热过程中土体强度快速丧失,微波持续照射30 s后其无侧限抗压强度由1.43 MPa降低至0.05MPa。根据微波照射过程中冻土的核磁共振测试结果,结合上述实验结果我们发现:(1)微波照射下冻土能够快速融化的根本原因是含有一定量的未冻水,未冻水吸波后分子热运动增强,温度升高,并向相邻的冰和土颗粒传递热量,导致冰的不断融化及整体温度的升高;(2)微波照射下冻土的融化过程和软化过程受未冻水的含量及类型控制。综上,微波照射是一种有潜力的人工解冻方法,可用于寒区各种工程场景。
在我国地面气象观测中,冻土的自动观测一直未能实现,为了解决这一问题,本文基于频域反射(Frequency Domain Reflectometry,FDR)测量原理,通过测量土壤介电常数变化实现冻土测量的方法,设计了一种基于平面电容传感器分层检测冻土的传感器,土壤冻结时,其内部水分会相变为冰,水的介电常数远大于冰,利用水冻结相变后引起介电常数急剧变化的特性,建立了基于土壤介电常数、地温反演冻土的数学模型,并进行了典型土壤实验室冻结试验及外场对比观测试验,结果表明:冻土传感器能正确分辨土壤冻结状态,测量数据与人工观测趋势一致,相关系数可达0.99以上,平均测量误差小于3cm,基于介电特性的冻土传感器可以准确连续测量土壤的冻结深度及其生消变化。
选取祁连山天然气水合物钻探区DK-8井岩心样品中的砂岩,利用模拟气合成含天然气水合物砂岩样品,并进行电阻率及介电常数研究。砂岩样品在天然气水合物形成后电阻率明显增大。在温度震荡过程中,电阻率测量能检测到水合物或冰的二次形成。在天然气水合物形成过程中,体系的介电常数变化规律复杂,在1 k Hz100 k Hz频段内,含水合物岩石的介电常数存在频散特性,频率高于100 k Hz,频散特性变弱。从介电常数的实验结果来看,基于介电常数的电法勘探技术可用来定性分析含水合物储层,但很难定量研究储层的水合物饱和度。
通过探地雷达在多年冻土区的应用条件的分析,结合正演模拟和实例勘察,对比分析探地雷达对多年冻土区厚层地下冰的分布、埋藏深度、赋存情况以及对冻土类型的识别的有效性。研究结果表明,厚层地下冰与周围地质体存在巨大的介电常数差异,雷达波的相位特征、振幅大小、反射波和反射波组都出现较大的不同,使得探地雷达能有效地勘察厚层地下冰的各种特征;同时,对不同类型的冻土,因冰晶体的赋存情况及分布不同,结合坑探、钻探等其他地质勘察手段,也能有效地区分。
探地雷达是一种高频电磁波勘探技术,具有对探测对象不造成任何损伤,抗干扰能力强,成果直观、准确、高效等特点而被广泛应用于公路勘察中。该文主要介绍了利用地质雷达技术并结合探坑调查,查明了路线多年冻土的分布范围、上限及厚度,并提出了相应的处理措施。