Page 105 - 2023年第54卷第9期

由于土壤对太阳辐射模拟器的开闭反应有滞后性，为更好展示土壤温度变化情况，试验组曲线的
持续时间较对照组更长。由图 ４可见，季节和昼夜的周期性变化引发地表的热传递，这使得温度变化
曲线呈现相似规律。地表的温度传至地下时呈现阶段性和波动性，随着土层厚度增大，地表温度的影
响减小。深度越大、越接近水面高度的土层，温度变化较为平缓或长期维持在 ０℃左右。试验组土体
受太阳辐射模拟器开闭的影响，土体温度呈现阶段性波动，这是由于模拟器开闭间隔不同导致的。当
太阳辐射模拟器开启间隔短时，关闭后土层温度会迅速降落，但当开启时间逐渐加长时，曲线呈现矩
形凸起，且土层温度会在维持一段时间后缓慢降落。
太阳辐射不仅能够通过热量传导影响土体相态，也会通过辐射作用产生影响，间接改变土的相
态。白天，主要是短于 ２μ ｍ的短波辐射作用在地面，温度升高。夜晚，地面以长于 ４μ ｍ的长波辐射
放出能量，地面温度降低。因此，图 ４的 Ｔ５—Ｔ８中试验组土层温度的变化是温度与太阳辐射共同作
用的结果。
３．２ 边坡模型冻深变化过程分析 利用边坡模型
坡顶的时间－ 温度曲线，绘制对照组和试验组的冻
深发展过程线，如图 ５所示。
图 ５中，试验组和对照组的冻结深度发展过程
相似，均可分为 ６个阶段。将 ６个阶段命名为初始
冻结阶段、快速冻结阶段、稳定冻结阶段、缓慢冻
结阶段、反向融化阶段和正向融化阶段。
试验开始后的 ０～１００ｍｉｎ，由于外界气温变化
不大，土壤温度发生轻微波动，短期内土体不会冻
结，这一 时 期 为 初 始 冻 结 阶 段； 之 后， ＞１００～
３００ｍｉｎ ，环境 温 度 持 续降 低，传递至 土 体 内 的 冷 图 ５ 冻深发展过程线
量持续积攒，表层土壤迅速结冰，冰锋向深层土壤快速转移，此为快速冻结阶段；＞３００～１５００ｍｉｎ，
土壤中的热量被削弱，冰锋和底部的温度差距越来越大，冰冻深度的发展速率越来越慢，此为稳定冻
结阶段；试验约 １５００ｍｉｎ后，在环境温度、土壤热阻和地热源热能的共同作用下，温度在土壤中的变
化速度减慢，冰层的发展速度随之减缓，直至于土层间热量与冷量达到平衡状态，出现最大冻结深
度，这一阶段为缓慢冻结阶段，受太阳辐射模拟器的影响，试验组的缓慢冻结阶段持续至 ２０７０ｍｉｎ，
而对照组的缓慢冻结阶段仅持续至 １７００ｍｉｎ；此后，由于底板热量，下层土体随之发生融化，此为反
向融化阶段。随着环境 温 度 持 续 上 升，土 体 从 表 层 向 下 融 化，此 为 正 向 融 化 阶 段，对 照 组 在 试 验
１８００ｍｉｎ后开始发生正向融化，由于太阳辐射模拟器的影响，试验组正向融化阶段开始时间更早，在
试验约 １５５０ｍｉｎ后开始发生正向融化。
对照组最大冻深出现时间较早，试验组最大冻深出现时间更接近实际情况。这是由于土体与太阳
辐射模拟器所带来的热流产生的抗衡时间更长，且太阳辐射模拟器补给的辐射热是随时间呈阶段性波
动的。在模拟器关闭时，土体又向环 境和 周围土 体 中散 失热 量，用 来 抵消 下 一 阶段 的 补给 辐射 热，
因此受太阳辐射模拟器影响的试验组缓慢冻结期持续的时间更长，图 ５中，缓慢冻结阶段为稳定冻
结阶段结束（约 １５００ｍｉｎ）至出现最大冻结深度的时间，对照组仅持续约 ２００ｍｉｎ，而试验组缓慢冻
结阶段持续约 ５７０ｍｉｎ，与实际冻结过程更为相似。随辐照时间的增加，波动的幅度逐渐加大，冻
结深度也迅速抬升，融化深度增加。因此冻结曲线与融化曲线更早地出现交点，整个冻融过程持续
时间更短。

４ 理论公式法计算冻结深度

冻土冻结深度与负温、冻结时间、积温等温度因素密切相关，土的性质、含水率、未冻水含量、
太阳辐射和植被等也是影响冻结深度的关键因素 ［３０ － ３２］ 。

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