冻结层上水是寒区冻土水文循环的关键层，揭示其动态演变规律，对认知冻土区地下水运移机制及精准预测具有重要科学意义。然而，由于多年冻土区原位监测数据的匮乏，以及非线性适应型水文过程模型构建的缺失，冻结层上水动态时空预测精度难以满足科学研究和工程实践需求。本研究以青藏高原风火山小流域（海拔4063～5398 m）为典型研究区，基于2021—2023年原位观测气象数据（精度±0.1℃/±0.1 mm）、逐日土壤水热(精度±1℃/±0.03 m3·m-3)及冻结层上水位（精度±0.14 cm）原位监测数据，揭示坡面尺度冻结层上水动态的水热时空协同机制；集成气温、降水、土壤温湿度和初始水位等多要素，构建及评估基于长短期记忆神经网络（LSTM）的冻土水文预测模型的适应性。研究发现：（1）冻结层上水动态具有显著季节分异特征，其水位波动（年变幅0～1.53 m）与活动层土壤温湿度呈现一致性，基于Boltzmann函数的平均拟合优度为0.90。（2）所构建的基于LSTM方法的冻结层上水位预测模型（学习率0.002）在坡面多梯度验证中表现出卓越性能，平均纳什效率系...
正冻土冻胀是寒区工程产生冻害的关键因素，其冻胀过程是水热力相互耦合的动态作用结果，在开放系统中，温度、温度梯度、含水率、水分补给强度等都是影响正冻土冻胀变形的重要因素。冻土冻胀是水分迁移产生的竖直方向分凝冻胀和原位冻胀的共同作用，其冻胀力学特性属于各向异性。本研究参考规范内土体含冰量随冻结的变化过程，考虑泊松比、地下水位深度、降温速率等因素，得到正冻土的在冻结过程中水平与竖直方向的冻胀系数的计算方法，通过对比粉土和粉质黏土的冻胀系数，与试验结果吻合较好。案例中粉土在-0.2～-3 ℃、0.2～1 m范围内竖向冻胀系数为-1.37×10-3～-7.67×10-3，水平向冻胀系数为-0.81×10-3～-4.85×10-3，差值百分比为10.4%～77.7%，说明考虑分凝冻胀产生的各向异性是必要的。本研究提出的水平与竖直方向的冻胀系数计算方法，可以为科研和设计工作提供参考依据。
冻胀荷载作用下初始裂纹的形成、扩展导致衬砌结构的断裂是寒区衬砌渠道冻害的主要原因之一。在已有研究基础上，综合考虑地下水水位影响的梯形渠道冻胀力学分析方法及线弹性断裂力学理论，提出高地下水水位梯形渠道冻胀断裂力学分析框架。该模型将衬砌结构表面初始裂纹的失稳扩展及开裂破坏简化为Ⅰ型断裂力学问题，并提出应力强度因子与危险截面位置的计算方法。以塔里木灌区某梯形渠道为原型分析地下水埋深w对衬砌各截面应力强度因子KFⅠ（x）及合理板厚dr的影响规律。结果表明：地下水补给条件对KFⅠ（x）的大小影响显著；当w减小时，KFⅠ（x）呈非线性增大，此时渠道冻害风险也增大，与事实相符。地下水埋深越浅，保证结构安全所需衬砌板的合理厚度dr越大；当地下水埋深为3.0 m时，建议使用的合理板厚为9.0 cm。研究结果可为寒区渠道的抗冻胀设计提供科学依据。
【目的】明确高地下水位冻土区弧形底浅拱梯形渠道冻胀破坏机理并提出简捷、实用的抗冻胀设计方法。【方法】考虑此类渠道拱高明显小于断面整体深度的特殊性,基于Winkler假设提出衬砌体法向冻胀力计算方法。论证高地下水位渠道衬砌体微小刚性上抬位移对曲线形弧段切向冻结力的影响机制并提出切向冻结力计算方法。基于此构建高地下水位冻土区弧形底梯形渠道冻胀力学模型。【结果】以某弧形底梯形渠道为原型,对比分析不同渠底中心地下水位d对衬砌板截面内力及所受冻胀力的影响。结果表明,d越小则截面内力及冻胀力分布的横向差异越明显;z0越大,截面内力及冻胀力分布受地下水补给条件的影响越小,与事实相符。充足的水分补给时间、补给来源以及冻胀力横向的不均匀、不同步是此类渠道易遭受冻胀破坏的主要原因。【结论】该模型可较好地反映此类渠道的冻胀受力特性,计算结果合理、可靠,可为高地下水位冻土区弧形底浅拱梯形渠道抗冻设计和相关研究提供参考。
季节冻土区因基土冻融破坏而造成的渠道护坡工程的位移、破坏屡见不鲜,大型高地下水位渠道渠基土含水率高、冻胀性强、冰推力大,对护砌结构综合指标要求更高。室内模型试验与示范工程表明,格宾网垫护坡结构可有效地降低渠道边坡土体的冻前含水率,具有较强的基土冻胀、融沉适应性,而且又有较强的生态效果。将为进一步完善格宾结构的抗冻理论与工程实践提供参考。
利用冻土学基本理论结合哈尔滨至齐齐哈尔客运专线实例,以其沉降监测网复测数据为研究对象,分析和研究了季节性冻土地区沉降监测网工作基点的不同状态。沉降监测网工作基点稳定性是在环境温度变化、冻土深度变化、地下水埋深等多种因素综合影响下共同作用的结果,环境温度的变化会导致冻土深度的变化,这二者结合又影响着工作基点稳定性,而地下水位的深浅也影响着工作基点的冻胀时间和总的沉降量。
以辽宁西部冻土为研究对象,模拟现场地下水位,对10种重塑土进行了大试件防冻害置换层参数确定试验研究。试验结果表明:对于辽宁西部季节性冻土,当置换层位于地下水位以上30cm、最大冻深的62%,且厚度为冻深的30%时,有明显的防冻害效果。
道路冻深的确定是季节冻土区路基防冻设计的主要内容之一。根据长余高速公路典型路段道路冻深的现场观测资料 ,对确定道路冻深的各种现场方法的优缺点进行了对比 ,并且对影响道路冻深大小的气温、地下水位、土质和含水量、线路走向和路基断面形状等因素进行了分析探讨