冻土渗透系数是冻土水热模型的关键参数。在当前数值计算过程中，多采用的是渗透系数经验模型，而经验模型的最大缺陷是其经验参数并不适用于所有土体。鉴于渗透系数理论模型具有较强的普适性，故考虑将渗透系数理论模型用于水热耦合计算。为评价理论模型的适用性，本文选取四组饱和冻土的渗透系数模型，以三个水热耦合模型算例为基础，通过比较渗透系数及冻胀变化趋势，对四组饱和冻土渗透系数模型的有效性进行分析。结果表明，理论模型预测结果受颗粒级配曲线及冻结特征曲线影响明显。四组理论模型均可以反映冻土渗透系数变化规律，而分形模型的预测效果最佳。推荐采用未冻水含量为变量，计算冻土渗透系数。研究成果可为准确预测冻胀提供基础。

为了更准确、更容易计算冻土中的渗透系数，采用未冻水含量曲线，并考虑孔隙壁对水分迁移的影响，建立了一个基于Hagen-Poiseuille方程的冻土渗透系数模型来描述冻土中的水流情况，得出冻土渗透系数与温度之间的函数关系．在相同条件下，用该模型计算的冻结粉土和粉质黏土的渗透系数与试验结果吻合较好．此外，在0～-5℃的范围内，预测了不同初始含水量饱和黏土、粉土的渗透系数．该模型仅需要一个准确测量的未冻水含量曲线和对应的融土渗透系数，这使冻土的冻胀和融沉预测更加容易和准确．

寒区冻胀、融沉等冻害的核心问题是水热耦合迁移过程,而冻土渗透系数的确定是研究这类问题的关键。不同于正温条件下土的渗透系数,冻土的渗透系数涉及液态水在土、冰两种固相物质内的流动机制。如何更精确、简洁地表达冻土的渗透系数,一直没有得到很好的解决。本文基于土中冰的赋存形态,结合正温渗透系数Kozeny-Carman方程推导过程,考虑冰颗粒的阻碍作用,提出一个新的冻土渗透系数模型。本文模型通过和文献中其他学者的模型以及试验数据的比较,可以较好地吻合试验数据,验证了本文模型的合理性。相较于既有的经验模型或复杂的数学模型,本模型只有一个拟合参数,形式简洁,有明确物理依据,具有一定的应用价值。

冻融循环作用引起的边坡体内部水分迁移是川西地区季节冻土边坡失稳的主要原因,研究边坡土体渗透系数时间、空间变化特征是掌握水分迁移规律的重要手段.针对冻融循环作用下季节性冻土坡面渗透系数时空变化问题,选取川西新都桥地区某边坡粗颗粒土为测试土样,设计冻土渗透系数试验装置,以30%乙二醇溶液为试验渗透溶液,分别制备不同初始含水率、细颗粒含量、干密度测试土柱;添加30%乙二醇放至低恒温箱中进行12 h以上冷冻处理,开展不同冻融循环次数作用下冻土渗透系数试验,并分析其渗透系数变化规律;在此基础上结合边坡冻融期含水率现场监测数据,分析渗透系数时空变化规律.试验结果表明:初始含水量及干密度不断增加时,冻土非闭合孔隙度和渗透系数均呈减小趋势;冻土渗透系数随细颗粒含量的增加而减小,当细颗粒含量大于20%时,冻土渗透系数减小的幅度较小;冻融循环次数对冻土渗透性能起到抑制作用,当循环次数超过3次时,冻融作用对渗透性能影响不大;季节性冻土边坡1 m冻结深度以内,渗透系数随深度增加减小;11月—1月冻深范围内冻土渗透系数减小,1月—3月渗透系数开始增大.

冻土中的渗透系数对于评估冻土工程中的水,热和溶质迁移至关重要。以往研究表明,渗透系数主要依赖孔隙结构,经常被描述为孔径大小和孔隙率,但是这两个参数并不能充分地表征孔隙结构。为加强对孔隙结构的描述,引用分形理论研究了冻土中的渗透系数。基于非均匀毛细管束模型和分形理论,提出了饱和冻土中渗透系数的分形模型,并提出通过土体冻结特征曲线获取冻土中孔径分布的理论方法。为了验证分形模型的有效性,对已有实验数据进行分析。分析表明,分形渗透系数模型是毛细管分维、最大孔径、黏度和迂曲度的函数,孔径分布变化是导致冻土渗透系数变化的根本原因。通过对比,计算值与实测值吻合较好。结果表明分形模型可以较好的预测冻土中的渗透系数,研究结果可为冻土渗透机理研究提供参考。

为了寻求测试冻土水理参数的低冰点液体,以东北季节性冻土区为参考区,在探究冻结土壤水理性质中,选择出一种适合用于冻结土壤基本参数测定的低冰点液体,测定出含水率为20%的冻土渗透系数,研究冻土的水理性质,同时测定含水率为20%的非冻土渗透系数,探究冻土与非冻土水理性质的差异。研究内容以寒区低温条件为主要特色。

我国具有广大的季节冻土和多年冻土区,冻土渗透系数的测定是研究冻土区水文地质与工程地质的关键。冻土渗透系数的测定与常规测定方法不同,需要满足在渗透系数测定的条件下不融化的基本条件。基于此,本文设计了冻土渗透系数测定的实验装置,主要有三部分组成,分别为低温恒温装置、渗透仪装置、渗流装置;之后,制作了不同含水率的冻土样,并用质量分数为10%的盐溶液作为渗透液体,测量了不同含水率冻土样的渗透系数,结果表明:随着含水率的增加,冻土的渗透系数减小的越来越快。

地下冰的存在使寒区与非寒区土壤渗透系数测定存在明显差异。通过分析设计寒区非饱和冻土渗透系数试验装置,改进了原有装置的不足,容器中的溶液选用乳糖溶液在可控的温度范围内不结冰;试验装置在恒定低温条件下进行。乳糖的浓度应同土壤中的水有相同的热力学平衡。测定装置使水流流量与水力梯度成线性变化。

通过核磁共振测深(MRS)方法在多年冻土区找水实例的分析、解释,并结合钻孔资料的综合研究,对在多年冻土区利用MRS方法探测地下含水层埋深、厚度及地下水涌水量的计算进行了详细的解析,并取得了良好的应用效果。阐明了该方法在多年冻土区找水具有含水信号反映明显、信噪比高和具唯一性解析结果等的独特技术优势,也指出了该方法在判断含水层岩性、涌水量计算等方面存在的不足,揭示了MRS方法在多年冻土区寻找地下水的良好应用前景,为在多年冻土区寻找地下水提供了一定的借鉴经验。