通过建立正演冻土模型,验证了将高密度电阻率法应用于冻土监测的可行性。对高密度电阻率法装置进行特殊处理,将其应用于对季节性冻土的监测,并进行了七个月份的连续监测。结果表明:高密度电阻率法在季节性冻土监测中可行;通过对实测数据进行反演处理,得到电阻率反演剖面,可以看出表层土壤在季节变化中有明显的结冻、解冻行为;并可估算出冬季冻土深度范围。

考虑未冻水含量随不同负温变化的事实,结合混合量热法中相变潜热对冻土比热测试值的影响,建立了基于比热的冻土未冻水含量反演算法。依据比热具有按各成分质量可进行加权叠加的性质,将相变阶段某一温度点的冻土比热视为冻土骨架、液态水和固体冰三相的比热加权之和,同时还考虑了该温度点未冻水变化率所需潜热的影响,在此基础上导出了根据冻土比热反演其未冻水含量的方法。将冻土相变阶段一定温度下的比热视为冻土骨架、液态水和固体冰比热的加权总和。采用混合量热试验测量了某冻土试样的未冻水含量,并利用本文给出的反演算法计算了相应的未冻水含量。两种测试结果的未冻水含量变化趋势相同,即未冻水含量随着温度的降低逐渐减少,且递减趋势逐渐减弱;与混合量热试验方法相比,本文给出的算法得出的未冻水含量略高,这主要是因为新算法考虑了相变潜热的影响,因而理论上更为合理。

南祁连哈拉湖盆地是重要的含油气盆地,多年冻土分布广泛,具有良好的天然气水合物找矿前景,而多年冻土的分布特征是天然气水合物成藏的重要控制因素。应用音频大地电磁测深(AMT)对南祁连哈拉湖东南缘的多年冻土的下限进行探测,并对影响多年冻土厚度的因素进行了分析。结果表明:应用AMT能较好地划分多年冻土的厚度;区内的多年冻土厚度基本分布在30～130 m之间,整体呈现"中部与西北部厚,其他区域较薄"的分布特征,其中,中南部、中部与西北部的多年冻土厚度在80 m以上,为天然气水合物提供了良好的盖层条件;区内多年冻土厚度的主要影响因素为地形、坡向(向阳面/背阴面)与地表径流,同时,断裂构造和地下水含量对冻土厚度也有一定的影响。高地、背阴面、非地表径流段、非断裂构造区域有利于形成较厚多年冻土层。

音频大地电磁测深(AMT)在"死频带"(500～5 000 Hz)内,容易引起视电阻率与相位曲线畸变。为获得探测天然气水合物的高质量AMT数据,在青藏高原冻土区开展了AMT采集试验研究,涉及到5个采集参数,分别为采集时段、采集时长、天气、电极距与测点密度。通过参数对比试验发现:为获取高质量的AMT数据,采集时段应选择在下午至晚上区间,采集时长≥40 min,选用较小的电极距(50～100 m),选择多云或阴天进行采集,此外,采用密度较高的点距布设(点距100 m或更小)有利于构建准确的电性模型。

冻土的蠕变特性对深井冻结法施工至关重要。针对某矿区人工冻土在-5℃、-10℃、-15℃和-20℃下进行单轴抗压强度试验,发现冻土的抗压强度受冻结温度变化影响,两者间为线性反比例关系。通过小生境原理对传统的遗传算法作模糊随机改进,给出模糊遗传算法的步骤思路,进而运用该算法反演冻土蠕变模型中的参数值,获得各温度下的蠕变模型。试验结果表明:蠕变模型计算值在蠕变各阶段与试验值吻合较好,准确反映了冻土蠕变的整体规律。可见,模糊遗传算法能有效反演蠕变参数,较传统方法更符合工程实际。

为了更好地了解青藏高原札达地区多年冻土的分布情况,归纳总结了冻土下限的遥感解译标志;利用不同类型的遥感数据源对冻土的下限位置进行了圈定,并分别与高程模型和温度模型的圈定结果进行了对比。结果表明:该区多年冻土区面积为17 148.93 km2;3种模型相互补充参考,可以提高大比例尺多年冻土制图精度,此方法应用结果在区域上作为参考资料前期使用,可大大缩小相关项目前期工作量,提高效率;因此,利用遥感技术圈定多年冻土的应用价值较高,可以更好地为青藏高原区域地质、水文地质、工程地质及气候变化等研究提供更加详实的资料。

作为冻土区天然气水合物重要的成藏因素——盖层冻土的厚度,其勘探方法多样且各具特点。选择性价比较高的音频大地电磁测深(AMT)为探测技术,以青海木里地区为研究对象,通过多种典型模型的AMT正演模拟,并对正演响应进行一维自适应正则化反演与分析,结果表明一维正则化反演曲线取对数求导曲线(或称地层界面分层因子曲线)可较好地划分多年冻土层底板,并在木里地区划分多年冻土厚度中取得了较好的应用效果,为冻土区天然气水合物靶区预测提供良好的支撑作用。由过井DK9的两条十字剖面研究表明,井DK9附近的多年冻土厚度起伏变化不大,约在60～100 m之间变化,为天然气水合物的富集提供了良好的盖层条件。其中,垂直于断裂构造方向DK9-2剖面的多年冻土厚度变化较大,约为60～100 m;平行于断裂构造方向的DK9-1剖面的多年冻土厚度变化较小,为68～92 m。

受全球气候变化影响,国内东北高纬度冻土地区多年冻土退化显著,冻土融化过程中水分相态变化对土体的力学指标产生严重影响,导致多条高速公路路域滑坡、路基不均匀沉陷等地质灾害频发。为了研究岛状冻土区域分布规律,以北安至黑河高速公路K153-K183路域为研究区,分别选择覆盖范围2009年3、5、9月3景Landsat 7 ETM+影像数据,运用辐射传输方程法对研究区进行红外地表温度反演,得到研究区对应日期时刻地表温度图,分析了地温与NDVI、DEM的相关性。对反演的结果采用自然间断点分级法进行图层分类,通过对研究区地表温变分析和人工解译,获得对应时刻区域内的低温区分布图,对低温区进行相交运算,得到研究区2009年冻土分布图,经与北安至黑河高速公路冻土勘察结果比对,具有较好的一致性。

根据反演分析法的基本原理,简要介绍冻土地区某一桩基工程的参数m值进行反演分析的方法。通过现场测量得到的实际数据,用反分析法,找出最合适的m值,从而有效的预测桩顶位移及桩土接触状态等。