土冻结过程中冻结缘水热输运和冰晶生长微观过程研究

Frozen fringe is a thin layer of phase transition with a few millimeters thick between frozen zone and unfrozen zone in freezing soil. Due to its characteristics of instability, microscosm and mutability,there remain many questions about the moisture migration in the frozen fringe and ice crystal growth. The project plans to monitor the moisture movement and ice lensing in the freezing soil by visualized soil freezing apparatus and observes the changes in microstructure by scanning electron microscope observation. We intend to reveal the internal relations between microstructure variation and moisture migration,and better understand the gestation of a single ice lens. The influence of the formation of ice lens on moisture-driven mechanics is discussed. We also try to expose the influence of microstructure on moisture-heat transport.To reveal the moisture-driven processes and mechanisms,a new frozen soil matrix potential probe is proposed to monitor the soil matric potential dynamics and to discuss the influence mechanism of ice lens formation on soil matric potential. Finally, a moisture migration and energy transfer coupled physical equation including the microstructure effects on the formation of ice lens and moisture migration will be established. In virtue of the innovation on test apparatus and method, the proposed project is helpful to uncover the mysterious veil of the frozen fringe, and to better understand the mechanism of frost heave and the formation of ground. It also contributes to improve the numerical simulation of frozen ground of global climate models and to favor the mitigation of the frozen-related damage in cold regions engineering. It shows attractive prospects both in science and engineering application.

冻结缘是土冻结过程中位于已冻区和未冻区之间，厚度仅为毫米级的薄层剧烈相变区，是深入认识冻土水热迁移、冰晶生长和冻胀机制的最关键区域。因其性质的易变性、微观性和突变性，冻结缘至今仍是冻土水热迁移研究中的一个"黑箱"。本项目拟通过可视化受控冻结试验，监测土冻结过程中相关宏观变量、水分运移和冰晶生长动态过程；借助新型环境扫描电镜，观测土冻结和冰晶生长不同阶段微结构变化。通过宏微观相结合的方法，阐释土冻结过程中微结构变化与冻结缘水热输运和冰晶萌生的内在联系，揭示冻结缘水热输运和冰晶孕育的微观过程；研究冻土基质势和冰-水-土体系的相平衡变化，揭示微观孔隙冰萌生对冻土基质势的影响机制；建立反映微结构对水热输运影响的冻结缘水热输运理论模型。本项研究不仅能深化对冻胀现象、地下冰成因的认识，改善全球气候模式对冻土水热相变问题的模拟精度，更能为寒区工程冻害防治提供理论依据，具有重要的科学和实践意义。

冻结缘是土冻结过程中位于已冻区和未冻区之间，厚度仅为毫米级的薄层剧烈相变区，是深入认识冻土水热迁移、冰晶生长和冻胀机制的最关键区域。因其性质的易变性、微观性和突变性，冻结缘至今仍是冻土水热迁移研究中的一个"黑箱"。本项目通过可视化受控冻结试验，监测土冻结过程中相关宏观变量、水分运移和冰晶生长动态过程；借助新型环境扫描电镜，观测土冻结和冰晶生长不同阶段微结构变化。通过宏微观相结合的方法，揭示了冻土基质势变化机制，阐明了冻结缘微结构变化及其对水热输运的影响，定量刻画了冰晶生长的微观动力学过程，揭示了微观孔隙冰晶萌生对冻结缘基质势的影响机制，量化了孔隙冰的影响，建立了考虑孔隙冰晶萌生的冻结缘水分迁移力计算模型，阐释了宏观冻结缘水热迁移和冰晶生长现象的联系和机制，深化了冻土水分和热量迁移问题的认识。研究成果不仅深化了对冻胀现象、地下冰成因的认识，改善全球气候模式对冻土水热相变问题的模拟精度，更能为寒区工程冻害防治提供理论依据，具有重要的科学和实践意义。.通过四年的研究工作，完成各项预定研究内容，完成了研究目标。项目共发表科技论文27篇，其中SCI收录6篇，EI收录15篇。项目负责人温智获全国青年地理科技奖（2015年）、国家科技进步一等奖（冻土与寒区工程研究创新团队，2017年）和甘肃省科学技术进步一等奖（2018年）；项目参加人穆彦虎获甘肃省科学技术进步一等奖（2018年）；项目资助博士研究生2名和3名硕士研究生开展相关科研工作，资助的博士生张明礼获中国科学院“朱李月华优秀博士生奖”。项目资助课题组5人次参加冻土国际会议，10人次参加国内会议和软件培训。项目负责人温智在Europe Conference on Permafrost、XI International Symposium on Permafrost Engineering、XI International Conference on Permafrost做口头报告和国际同行交流项目最新研究成果，在国内会议上作特邀报告2次介绍项目最新研究成果。