凍土物理學(xué)

前言

　　我國是世界上多年凍土分布面積的第三大國。多年凍土和季節(jié)凍土區(qū)分布面積分別占全國面積的21.5％和53.5％。鹽漬土面積約占全國面積的2％。目前我國約有1／5耕地存在不同程度的鹽漬化和次生鹽漬化特征，有2.6億畝受潛在鹽漬化威脅的土壤。我國沙漠化土地面積占國土面積的3.86％，，年發(fā)展速率為1.47％。凍土區(qū)土體凍脹和融沉及干寒區(qū)的地表鹽漬化、鹽脹及沙化是制約我國干寒區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的重要因素?！　⊥寥篮退菢?gòu)成自然環(huán)境和農(nóng)業(yè)的兩項基本資源，也是人類賴于生存的兩大支柱。隨著氣候的波動，由于溫度因子的參與，使本來就十分不穩(wěn)定的土水體系加劇了凍融、干濕、脹縮、分散和凝聚以及開裂和團聚等一系列物理、力學(xué)和物理化學(xué)過程的交替演變，給人類的工程活動、農(nóng)林牧業(yè)生產(chǎn)和自然環(huán)境帶來危害。因此，凍土及其演化對人類的生存環(huán)境、生產(chǎn)活動和可持續(xù)發(fā)展具有極其重要的影響，加深和傳播凍土中熱質(zhì)遷移的知識就顯得愈加重要了?！　」P者徐斅祖①從1981年開始踏上凍土中水分遷移課題研究的征途，有幸于1983-1984年問作為訪問學(xué)者在美國寒區(qū)研究和工程實驗室做了專題進修，回國后立即得到到了國家自然科學(xué)基金委員會和中國科學(xué)院蘭州冰川凍土研究所的資助，籌建實驗室并在工作中得到凍土工程國家重點實驗室提供有關(guān)儀器設(shè)備及技術(shù)上的幫助?！　”緯枪P者徐激祖研究員多年工作，特別是與同事王家澄研究員、張立新研究員、鄧友生高級工程師和李萍博士共同完成“凍土中水分遷移規(guī)律的試驗研究”、“正凍土中鹽分遷移全過程的實驗研究”和“正凍土中凍結(jié)緣的成因和特征的實驗研究”等三項國家自然科學(xué)基金資助課題及凍土工程國家重點實驗室組織中、俄、日國際合作研究的結(jié)晶，在此基礎(chǔ)上搭起了我國凍土物理學(xué)的框架，把它獻給從事普通凍土學(xué)、工程凍土學(xué)、土壤物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地理學(xué)和土木工程學(xué)等科學(xué)的專業(yè)工作者和師生們，希望讀者們能在溫度梯度誘導(dǎo)下，凍土中水分、鹽分和顆粒遷移的基本原理及其與凍脹、鹽分遷移和冷生構(gòu)造的關(guān)系以及如何開展凍土利用和凍害防治等方面有所收益。

內(nèi)容概要

本書集大量室內(nèi)試驗及國內(nèi)外相關(guān)研究資料于一體，側(cè)重論述凍土物理學(xué)中能量和物質(zhì)輸運的基本理論，分析土體凍結(jié)和融化誘發(fā)不均勻凍脹、融化下沉、鹽脹、地表次生鹽漬化及土地沙化的原因及對策和凍土利用。具體內(nèi)容包括：凍土分布定名及勘測要求，凍土的基本物理性質(zhì)，溫度在地中的傳播，未凍水動力學(xué)原理，土中水凍結(jié)時的成冰作用及凍土中冷生構(gòu)造形成的影響因素，土體的凍脹和鹽脹，凍土改造和利用，以及凍土基本性質(zhì)的測定方法。    本書旨在為自然地理專業(yè)凍土專門化及地質(zhì)工程專業(yè)的研究生提供凍土物理學(xué)的基本教材，同時可供從事凍土學(xué)、寒區(qū)旱區(qū)工程建筑、農(nóng)業(yè)物理的研究、設(shè)計人員參考，并可作為高等院校工程地質(zhì)、土木工程、農(nóng)業(yè)物理和生態(tài)環(huán)境等專業(yè)的教學(xué)參考書。

書籍目錄

再版說明前言緒論第一章  凍土分布定名及勘測要求  1.1  我國凍土的分布    1.1.1  我國凍土分布總體格局    1.1.2  凍土分布與環(huán)境因素的關(guān)系    1.1.3  多年凍土下界高度與雪線高度的關(guān)系  1.2  凍土定名、分類描述及勘測要求    1.2.1  美國工程土的定名分類系統(tǒng)及勘測要求    1.2.2  原蘇聯(lián)的凍土定名分類及勘測要求    1.2.3  我國的凍土定名分類及勘測要求第二章  凍土的基本物理性質(zhì)  2.1  凍土的物質(zhì)組成及其相互關(guān)系  2.2  土的持水性  2.3  凍土中的未凍水含量及其影響因素和確定方法    2.3.1  土質(zhì)對未凍水含量的影響    2.3.2  多晶冰中的未凍水含量    2.3.3  鹽類和濃度對未凍水含量的影響    2.3.4  凍融過程對未凍水含量的影響    2.3.5  外載對未凍水含量的影響    2.3.6  確定未凍水含量的快速方法    2.3.7  含鹽凍土中未凍水含量預(yù)報模式的建立  2.4  土水勢    2.4.1  土水勢及其分量    2.4.2  土水勢的影響因素  2.5  熱交換系數(shù)及其影響因素    2.5.1  容積熱容量及其影響因素    2.5.2  導(dǎo)熱系數(shù)及其影響因素    2.5.3  導(dǎo)溫系數(shù)（熱擴散系數(shù)）及其影響因素    2.5.4  相變熱    2.5.5  根據(jù)土物理指標(biāo)求取計算熱參數(shù)  2.6  質(zhì)交換系數(shù)及其影響因素    2.6.1  微分水容量及其影響因素    2.6.2  導(dǎo)濕系數(shù)及其影響因素    2.6.3  擴散系數(shù)及其影響因素第三章  溫度在地中的傳播  3.1  地溫    3.1.1  地面溫度    3.1.2  地面溫度向地中傳播    3.1.3  熱傳導(dǎo)問題的數(shù)學(xué)描寫  3.2  地中溫度場的計算    3.2.1  一維平壁穩(wěn)定溫度場計算    3.2.2  凍土地溫特征值計算  3.3  土的季節(jié)凍結(jié)和融化    3.3.1  土中水凍結(jié)的時間和空間過程    3.3.2  土的凍結(jié)和融化溫度    3.3.3  土的季節(jié)凍結(jié)和融化計算  3.4  多年凍土區(qū)地溫狀況（以青藏高原為例）  3.5  地面擾動及地面溫度長期變化對地溫的影響  3.6  對流換熱  3.7  輻射換熱    3.7.1  熱輻射的基本概念    3.7.2  熱輻射的基本定律    3.7.3  物體間的輻射換熱計算第四章  未凍水動力學(xué)原理  4.1  概述  4.2  正凍土中的水分遷移    4.2.1  開放系統(tǒng)飽水正凍土中的水分遷移    4.2.2  封閉系統(tǒng)正凍土中的水分遷移    4.2.3  非飽和正凍土在不同地下水位情況下水分遷移的現(xiàn)場觀測  4.3  封閉系統(tǒng)已凍土中的水分遷移  4.4  封閉系統(tǒng)正融土中的水分遷移  4.5  含鹽正凍土和已凍土中的離子遷移    4.5.1  溶液凍結(jié)時鹽冰脫鹽和未凍溶液濃縮作用    4.5.2  封閉系統(tǒng)非飽和含鹽正凍土中的離子遷移    4.5.3  開放系統(tǒng)飽和含鹽正凍土中的鹽分遷移    4.5.4  天然條件下鹽分遷移的試驗觀測  4.6  單向凍結(jié)時土顆粒位移的熱篩效應(yīng)及對流遷移    4.6.1  單向凍結(jié)過程中土顆粒垂向位移的熱篩效應(yīng)及對流遷移假說    4.6.2  熱篩效應(yīng)及微粒對流遷移的實驗驗證第五章  土中水凍結(jié)時的成冰作用及凍土中冷生構(gòu)造形成的影響因素  5.1  土中水凍結(jié)時的成冰作用    5.1.1  凍結(jié)時土中發(fā)生的物理過程    5.1.2  凍土顆粒外圍的界面狀態(tài)及冰水動態(tài)平衡原理    5.1.3  土中水的成冰類型    5.1.4  凍結(jié)緣和分凝冰透鏡體的成因    5.1.5  凍結(jié)緣的基本特征及特征參數(shù)的確定方法  5.2  土類對正凍土的冷生構(gòu)造形成的影響    5.2.1  正凍黏土、粉土和砂土中的冷生構(gòu)造    5.2.2  孔隙特征對多孔材料凍脹位移的影響    5.2.3  原狀土和擾動土中成冰的差異  5.3  水分對正凍土的冷生構(gòu)造形成的影響    5.3.1  土中水分遷移機理    5.3.2  外界水源補給的影響  5.4  溫度和壓力對正凍與凍土中冷生構(gòu)造形成的影響    5.4.1  溫度、上部載荷和侵入壓力對正凍土中冷生構(gòu)造形成的影響    5.4.2  已凍土融化過程中的冰分凝    5.4.3  不同氣壓條件下土體凍結(jié)后的孔隙特征  5.5  易溶鹽的成分和濃度對正凍土中冷生構(gòu)造形成的影響  5.6  不同外力作用方式引起凍土細微結(jié)構(gòu)的變化特征第六章  土體的凍脹和鹽脹  6.1  概述  6.2  土體凍脹機理    6.2.1  反復(fù)凍融引起的真空滲透機制    6.2.2  溶質(zhì)濃度梯度引起的滲壓機制  6.3  土體凍脹發(fā)育的幾種類型  6.4  不同冷卻速度下開放系統(tǒng)正凍土的凍脹  6.5  預(yù)報凍脹的有關(guān)模型  6.6  含鹽土的鹽脹和凍脹    6.6.1  易溶鹽的基本特性    6.6.2  含氯化鈉鹽土的鹽脹和凍脹    6.6.3  含碳酸鈉鹽土的鹽脹和凍脹    6.6.4  含硫酸鈉鹽土的鹽脹和凍脹第七章  凍土改造和利用  7.1  多年凍土區(qū)沙金礦開采中土層防凍和解凍技術(shù)    7.1.1  土層防凍技術(shù)    7.1.2  凍土解凍技術(shù)  7.2  多年凍土區(qū)土木建筑工程中土層防凍技術(shù)    7.2.1  設(shè)置隔熱層    7.2.2  設(shè)置熱穴  7.3  構(gòu)筑物防凍脹和防融沉技術(shù)    7.3.1  凍害特征及病因簡析    7.3.2  凍害防治措施  7.4  鹽漬土防治技術(shù)    7.4.1  甘肅省河西地區(qū)鹽漬土概況    7.4.2  土壤鹽漬化的影響因素及分布規(guī)律    7.4.3  水的情況    7.4.4  關(guān)于甘肅省鹽漬土防治措施的新思維  7.5  多年凍土作為能源（天然氣水合物）倉庫  7.6  人工凍土利用技術(shù)    7.6.1  利用天然冷源的人工凍結(jié)技術(shù)——各種熱樁（自冷樁）的應(yīng)用    7.6.2  人工凍結(jié)技術(shù)的應(yīng)用  7.7  路基降溫保溫技術(shù)    7.7.1  碎石路堤或片石護坡    7.7.2  片石通風(fēng)路堤    7.7.3  具有自然采風(fēng)口的透壁通風(fēng)管塊石路堤第八章  凍土基本性質(zhì)的測定方法  8.1  顆粒分析    8.1.1  概述    8.1.2  樣品制備    8.1.3  操作步驟    8.1.4  操作注意事項  8.2  密度    8.2.1  概述    8.2.2  操作步驟    8.2.3  注意事項  8.3  比重    8.3.1  概述    8.3.2  操作步驟    8.3.3  注意事項  8.4  比表面積    8.4.1  概述    8.4.2  操作步驟    8.4.3  注意事項  8.5  孔隙特征    8.5.1  概述    8.5.2  樣品制備    8.5.3  操作步驟    8.5.4  注意事項  8.6  凍結(jié)溫度    8.6.1  概述    8.6.2  主要儀器設(shè)備    8.6.3  操作步驟  8.7  未凍水含量    8.7.1  概述    8.7.2  儀器設(shè)備及操作步驟  8.8  凍脹敏感性    8.8.1  概述    8.8.2  操作步驟  8.9  導(dǎo)熱系數(shù)    8.9.1  主要儀器設(shè)備    8.9.2  操作步驟    8.9.3  注意事項  8.10  土水勢    8.10.1  概述    8.10.2  操作步驟  8.11  導(dǎo)濕系數(shù)    8.11.1  概述    8.11.2  操作步驟  8.12  擴散系數(shù)    8.12.1  概述    8.12.2  操作步驟  8.13  土體細微結(jié)構(gòu)分析    8.13.1  概述    8.13.2  樣品制備    8.13.3  操作步驟    8.13.4  注意事項參考文獻

章節(jié)摘錄

　　多年凍土區(qū)醞藏著豐富的礦藏，諸如，東北大小興安嶺地區(qū)富含沙金礦，從清朝時期就進行開采，以后在偽滿時期以及解放后進行過多次開采，每次都在相同地區(qū)，為什么在這些地區(qū)的沙金礦會采之不絕呢？　　人類從生存和發(fā)展的需要，對凍土產(chǎn)生了濃厚的興趣，帶著上述種種問題，對其進行孜孜不倦的研究?！　≡鯓友芯績鐾?？從凍土利用和改造的角度，凍土研究主要涉及三個方面，分別把凍土作為資源、材料和低溫環(huán)境來研究?！　‘?dāng)把凍土作為一種土地資源來研究時，主要要解決土層防凍和快速解凍、凍土中水分和鹽分的控制等技術(shù)問題，以及由于凍土變異引起的土壤沙化、荒漠化和次生鹽漬化等。使得凍土區(qū)森林茂密、草原肥沃、牛羊成群、農(nóng)作物高產(chǎn)?！　‘?dāng)把凍土作為構(gòu)筑物地基材料、隔水材料或直接用作構(gòu)筑物（如地下冷庫等）時，主要研究在不同邊界條件（溫度、外載等）下，凍土的物理力學(xué)性質(zhì)、與構(gòu)筑物的相互熱、力作用以及凍土性質(zhì)的改良問題?！　‘?dāng)把凍土作為低溫環(huán)境來研究時，主要研究凍土與周圍環(huán)境（大氣和下墊面）的熱、質(zhì)交換及相互作用，由此引發(fā)的地球化學(xué)過程、低溫及凍結(jié)和融化環(huán)境下的沙金和天然氣水合物的成礦機理和賦存條件等?！　∮纱丝梢?，所謂凍土研究，并非只孤立研究凍土本身的分布、狀態(tài)和特性，而且很多的注意力卻集中在研究天然和人為活動條件下，土的凍結(jié)和融化過程及其伴生現(xiàn)象的機理、調(diào)控和預(yù)測預(yù)報上。凍土研究的對象雖然比較簡單，只是凍土本身及土的凍結(jié)和融化過程及其與周圍環(huán)境的相互作用，但麻雀雖小，五臟齊全。上述問題的研究，必須借助于相鄰學(xué)科的許多基本理論，諸如地理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、土壤學(xué)、土質(zhì)學(xué)、工程地質(zhì)學(xué)、水文地質(zhì)學(xué)、土木工程學(xué)、傳熱學(xué)、熱力學(xué)、物理化學(xué)、材料力學(xué)和流體力學(xué)等。所以，凍土學(xué)是一門交叉學(xué)科?！　鐾裂芯康氖侄螒?yīng)包括現(xiàn)場調(diào)查、長期觀測、室內(nèi)試驗、理論計算及計算機模擬等。綜合利用上述手段，采取宏觀現(xiàn)象與微觀機理相結(jié)合、理論計算與實踐驗證相結(jié)合的思路是推進我國凍土物理學(xué)研究不斷深化的驅(qū)動力。

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