南大朱鸿鹄团队研发冻土热-水-力耦合多参量集成测试系统
我国季节冻土区约占国土总面积的53.5%，冻融灾害对高速铁路、西电东送、中俄管线等国家重大工程安全构成严重威胁。长期以来，由于缺乏高时空分辨率的原位冻土数据支撑，冻土多场耦合模型依赖理想化假设，预测误差高达30%以上，严重制约了寒区基础设施工程的韧性设计与高效运维。
针对这一难题，南京大学地球科学与工程学院朱鸿鹄教授团队在多年监测技术研发与冻土工程实践的基础上，成功研制国际首套“冻土光电联合多参量集成测试系统”（图1）。该系统以冻土相变界面行为精准捕捉为核心突破点，创新集成了分布式光纤传感、光电联合冰水含量推算、粒子图像测速变形追踪三类技术，实现了冻土温度、未冻水含量、含冰量、应变与位移等5类参量的同步获取（图2）。系统将传统监测的空间分辨率最高提升到毫米级、时间分辨率最高提升到秒级，为揭示土体内部多相界面耦合机制提供了直接观测依据。
研究团队通过黄土高原典型粉质黏土的单向冻结试验，系统解析了冻融全过程的热-水-力耦合机制。试验发现，冻土经历初始压密、快速冻胀、缓慢冻胀、融化回弹与最终沉降五个典型阶段（图3），其中快速冻胀阶段由原位水冻结主导，而缓慢冻胀阶段则受水分迁移与冰透镜形成的界面过程控制，呈现出拉压复合的局部变形特征（图4）。此外，本研究首次构建的瞬态土壤冻结特征曲线（图5）进一步揭示了相变界面行为的动态滞后效应与深度变异性，突破了传统稳态模型的局限。该成果深化了对冻土相变行为与非稳态气候响应的认识，为寒区重大工程的风险防控提供了重要的理论依据和技术支撑。
该研究成果近日以“Experimental investigation of thermo-hydro-mechanical interactions in frozen soil using an integrated monitoring system”为题，发表于工程地质领域权威期刊《Engineering Geology》。论文第一作者为我院博士研究生吴冰，通讯作者为朱鸿鹄教授，论文合作者还包括研究生郭旭辉、王德洋和王翠，以及加拿大麦吉尔大学M. A. Meguid教授。研究工作得到了国家重点研发计划专项“典型脆弱生态系统保护与修复”与国家自然科学基金杰出青年科学基金项目“土体工程地质界面”的联合资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2025.108136
图1. 冻土光电联合多参量集成测试系统
图2. 冻融过程中土壤温度、未冻水含量、总含水量和内部应变时空分布
图3. 冻融过程下土柱变形响应时空演化特征
图4. 不同冻结阶段土体热水力响应特征：（a）快速冻结阶段与（b）缓慢冻结阶段土柱温度、含水率和应变分布剖面
图5. 土体冻结特征曲线的时空演化特征：（a）冻结过程中不同深度处的瞬态冻结特征曲线对比；（b）10 cm深度处完整冻融循环过程中的瞬态冻结特征曲线；（c）不同初始含水率条件下的稳态冻结特征曲线