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出版者:科学出版社

作者:徐学祖

出品人:

页数:364

译者:

出版时间:2001-4-1

价格:48.0

装帧:平装(无盘)

isbn号码:9787030065551

丛书系列:

图书标签:

• 冻土
• 物理学
• 地质学
• 地球科学
• 冰冻圈
• 热工学
• 水文学
• 工程地质
• 环境科学
• 寒区工程

冰封大地下的奥秘：现代土壤冻融过程的物理机制与应用 图书简介 本书深入探讨了地球上广布的冻土区域所涉及的复杂物理过程。冻土，即温度持续在0°C及以下保持两年以上的土壤或岩石，是地球气候系统、水文循环和工程建设中不可或缺的关键组成部分。本书旨在系统性地阐述控制冻土形成、演化、融化及再冻结的底层物理原理，结合前沿的观测技术与数值模拟方法，为理解和管理这些独特环境下的挑战提供坚实的理论基础。 第一部分：冻土的物理基础与热力学 本书首先从微观层面入手，解析了水在土壤孔隙中的相变行为。土壤水的热力学性质是理解冻土形成的核心。我们详细分析了毛细作用力、溶质效应（盐分冻结抑制）以及颗粒表面吸附力如何共同决定土壤的冰点下降。纯水在标准大气压下于0°C冻结，但在受限的土壤孔隙中，冰的形成温度可能远低于此值。本书运用Gibbs自由能原理，推导了在不同孔隙度和含水率条件下，土壤水相平衡的克劳修斯-克拉佩龙方程的修正形式，精确描述了“非冰水”（unfrozen water）的含量与温度之间的非线性关系。 紧接着，我们深入研究了冻土的热传输机制。热量在冻土中的传递涉及三个主要过程：导热、对流和相变潜热释放/吸收。导热是其中最主要的机制，但其有效导热系数（Effective Thermal Conductivity）是高度依赖于温度、孔隙度、含冰量和冰的分布形态的动态参数。书中详细区分了干燥、饱和和部分冰冻状态下导热系数的建模方法，特别是对冰水混合物的有效介质理论（Effective Medium Theory）进行了详尽的阐述。 相变潜热的影响在0°C相变区尤为显著。本书提供了精确计算不同土壤类型（砂土、粉土、粘土）在冻融循环过程中释放或吸收的潜热量的模型，并将其整合进整体的热平衡方程中，以准确捕捉土壤温度场的非线性变化。 第二部分：水文过程与力学响应 冻土的物理特性不仅限于热力学，其水文行为和力学响应同样至关重要。本书探讨了冻土区的水文循环——如何影响地表径流、地下水补给乃至区域蒸散发。在冻结过程中，水分的迁移是一个关键问题，被称为“冰的迁移”（Ice Segregation）或“冰晶生长”。由于土壤孔隙中的水分压力梯度（由温度梯度驱动），液态水会从未冻结的区域向冰锋迁移，导致冰透镜（Ice Lenses）的形成。本书详细分析了这些冰透镜的生长速率、尺寸分布及其对土体结构的影响，并引入了基于非平衡态热力学的模型来描述这种驱动下的水分重分布。 在力学方面，冻土的强度和变形特性是工程应用的基础。冻结使土壤的力学强度急剧增加，但这种强度是依赖于温度和冰含量的。书中详细分析了冻土的应力-应变关系，包括弹性、塑性和粘塑性行为。重点探讨了冻胀（Frost Heave）现象的力学机制。冻胀是由冰透镜的生长和水的分离压力共同作用导致的体积膨胀，它对基础设施（如道路、管道、建筑物地基）的破坏力巨大。我们引入了基于热力学驱动力和有效应力概念的冻胀力学模型，用于预测冻胀量和冻胀压力。 另一个核心的力学挑战是融沉（Thaw Settlement）。当冰融化时，土体孔隙空间急剧增大，导致结构失稳和沉降。本书比较了不同融化模式（原位融化与快速融化）对土体稳定性的影响，并讨论了如何通过预先处理（如热稳定化或机械加固）来减轻融沉的风险。 第三部分：冻土的监测、模拟与环境效应 随着全球气候变化，多年冻土（Permafrost）的稳定受到前所未有的威胁。本书的最后一部分聚焦于实际应用和前沿研究。 在监测技术方面，本书详细介绍了用于测量冻土温度、含冰量和力学状态的先进技术。包括地温观测井的布设、遥感技术（如InSAR监测地表形变）的应用，以及电磁波（如探地雷达 GPR）在识别冻结界面和冰分布中的原理与局限性。 在数值模拟方面，我们介绍了耦合热量、水分和力学过程（THM耦合）的有限元或有限差分模型。这些模型是预测冻土工程响应和长期演化的关键工具。书中展示了如何将相变潜热、冰水迁移的动力学方程以及非线性土体本构关系整合到一个统一的求解框架中，以模拟复杂工程结构（如冰雪路基、永久冻土管桩）在季节性冻融循环下的长期性能。 最后，本书探讨了冻土融化对全球环境的深远影响。冻土中封存着巨量的有机碳，其融化将导致微生物活动增强，释放出二氧化碳和甲烷等温室气体，形成一个重要的气候反馈回路。我们评估了当前模型对这一碳释放过程的预测能力，并讨论了如何将冻土碳动态纳入区域乃至全球气候模型中。 本书内容全面、论证严谨，不仅是土木工程、地质学、水文学和环境科学领域研究人员和高级学生的专业参考书，也为在寒区进行规划、设计和施工的工程师提供了实用的物理学指导。读者将能全面掌握冻土系统的复杂性，并为应对气候变化带来的工程与环境挑战做好准备。

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