青藏高原地区冻土正呈退化趋势,除气候变化、人为活动的影响外,沙漠化也被认为是冻土退化的原因之一,但仍存在较大争议。基于不饱和土渗流和热传导理论,结合CoLM和CoupModel模型,初步构建了积沙-冻土-水热概念模型和耦合模型。并在两模型的基础上,讨论了沙层反射率、积沙体热容量、积沙体厚度和沙的传热率等参数对下伏冻土的热影响过程。结果表明,沙层的反射率、地面发射率均高于天然地表,沙层接受的热量较天然地表偏少;积沙地表下的沙层和活动层能截留更多热量,使冻结层获得的热量相对减少;沙的导热性较差,导致积沙地表下地温变化出现延迟,从而延缓冻土退化;同时,积沙无论厚薄,都将起到延缓冻土退化的作用。因而,沙漠化对青藏高原冻土退化的影响可能较小,但全面揭示沙漠化对冻土的影响仍需深入研究。

为研究冻土区工程水热分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出了冻土水热变化的耦合关系式。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序,对中俄输油管道漠大线进行模拟。通过模拟结果与实测数据对比验证了应用模型计算程序的可靠性。应用程序分别对冻土区路基与埋地管道的水热分布变化进行模拟分析。对于冻土区斜坡路基:冻土斜坡路基的融化界面随时间增加而逐年降低,融化界面与水分富集层位置相近,均呈倾斜分布,影响斜坡路基的稳定性。对于冻土区埋地管道:管道长期运营加剧其周围多年冻土上限下降,管道附近10年后的下降约为天然情况下的4倍。

为研究冻土斜坡路基温度与水分分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出冻土水分与温度变化的耦合关系式,建立水热耦合模型。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序模拟冻土斜坡路基室内模型试验。通过模拟结果与试验值的对比,验证了应用模型计算程序的可靠性。对青藏铁路风火山K1139试验段斜坡路基的温度水分分布变化进行模拟分析。结果表明:相对于同一海拔高度的路基中心线上点及右坡脚点,斜坡路基的左坡脚点温度和含水量均较高。冻土斜坡路基的融化界面与水分富集层均沿斜坡发展,与斜坡坡向相同,影响斜坡路基稳定性。

根据温度梯度诱导薄膜水迁移的冻胀机理 ,建立了模拟标准样品无盐土冻胀过程的水热耦合模型 .模型需要输入的参数包括 :干密度、含水量、孔隙度、未冻水含量 (- 1℃ )、导热系数、渗透系数及边界温度条件、冻结周期和时间步长等 .计算结果包括 :冻胀量、冻结深度、冰分凝温度、冻结缘厚度 .通过与实际冻胀实验结果比较 ,模型所预测的冻胀量和冻深与实测值相差分别为 1.12 %～ 15 .77%和 5 .38%～ 10 .35 % .冻结缘的厚度变化在时间上有三种方式 :即持续增大、增大后逐渐减小、增大后相对稳定