将材料尺度冻结点测定方法与ERA5陆地再分析数据相结合，用于基于物理原理的冻融分区研究，具体应用于青藏高原上的G214国道沿线区域

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将材料尺度冻结点测定方法与ERA5陆地再分析数据相结合，用于基于物理原理的冻融分区研究，具体应用于青藏高原上的G214国道沿线区域

时间：2026年2月23日

来源：Cold Regions Science and Technology

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本研究通过实验室实验确定C40混凝土在不同自然饱和度下的结冰温度，建立非线性正相关关系，并改进ERA5-Land气象数据，为G214国道冻融循环分区提供理论依据，提升寒区基础设施耐久性。

秦艳辉|尹金帅|袁建宝|张乐乐|李梦根|李成东|马浩远|郑露露|李硕|邓素文

青岛理工大学土木工程学院，中国青岛266033

摘要

为了解决材料属性与区域冻融分区之间的脱节问题，本研究将混凝土的冰点数据与校正后的ERA5-Land再分析数据相结合，基于物理原理对G214国道沿线进行分区。实验室实验确定了C40混凝土在不同自然饱和度（NS）条件下的冰点，发现两者之间存在显著的非线性正相关关系（R² = 0.987，RMSE = 0.042°C，p < 0.001），并确定-3.30°C为G214国道沿线材料特定的冻融循环（FTCs）阈值。基于多压力层温度递减率的校正模型提高了ERA5-Land地表温度（GST）的准确性。通过将这一阈值与校正后的GST数据相结合，我们量化了1980年至2024年间G214国道的年冻融循环次数（NFTCs），发现低海拔地区每年有200-240次冻融循环，而高海拔地区则少于100次。本研究整合了材料级别的实验数据和区域气象数据，为混凝土结构的抗冻设计提供了材料特定的理论基础和区域特定的参数，从而提高了寒冷地区公路基础设施设计、施工和长期维护的科学严谨性。

引言

青藏高原（QTP）被称为“第三极”，是中低纬度地区最大的永久冻土区，平均海拔超过4000米（Ma等人，2008年）。其独特的气候条件（空气稀薄、太阳辐射强烈、昼夜温差极大）导致温度频繁在0°C附近波动，使混凝土结构遭受严重的冻融循环（FTCs）损害（Li等人，2015年；Qin等人，2024年）。G214国道横跨QTP的永久冻土区和季节性冻土区，是中国内陆与西南地区之间重要的交通纽带（Jin等人，2023年；Sheng等人，2015年）。该地区的复杂地形和恶劣气候使得FTCs成为影响桥梁、隧道和路基耐久性和安全性的决定性因素（Guler和Akbulut，2025年）。

FTCs引起的损害源于混凝土孔隙水反复的冻融相变，这种变化会产生累积的冻胀应力，从而引发微裂纹扩展和材料退化（Lv等人，2024年；ud Din等人，2020年）。在QTP上，这一过程不仅是混凝土冻害的主要原因，还会导致广泛的地质变形（热融沉降），对青藏公路和铁路等关键战略基础设施构成持续威胁（Hu等人，2019年；Ran等人，2022年）。值得注意的是，并非所有的FTCs都会导致结构恶化，只有当混凝土达到特定的自然饱和度（NS）时才会发生损害，这表明冻融损害受材料内部状态的控制（Fagerlund，1972年；Li等人，2012年）。

为应对与FTCs相关的挑战，尽管在三个核心研究方向上进行了大量研究，但针对QTP特定工程需求仍存在关键空白：

早期研究认识到混凝土的冰点并非固定不变（0°C），而是受孔隙结构、孔隙溶液成分和NS的影响（Bager和Sellevold，1986年；Davison，1980年）。Kamada（1988年）首次量化了水泥浆中毛细水的冰点降低现象，而Farnam等人（2015年）发现孔隙溶液中的氯离子可以降低混凝土的冰点。最近的研究集中在原位测量技术上：Chen等人（2023年）验证了用于现场规模混凝土冰点测定的温度平台法。

关于基于水泥的材料的研究表明，这些材料的初始冰点及其使用过程中的NS对冻融损害具有协同控制作用（Huang等人，2025年；Wen等人，2025年）。临界饱和度理论已被扩展，用于定量预测实际使用条件下的残余抗冻循环能力和使用寿命（Xu等人，2024年）。

然而，大多数研究依赖于小规模试样（例如25.4毫米×25.4毫米×50.8毫米；Farnam等人，2015年）或简单环境，缺乏在QTP低压力、高辐射条件下的大规模混凝土数据，导致实验室阈值与现场材料行为之间的不匹配。

区域冻融分区严重依赖于长期、高精度的GST数据。传统的原位观测在QTP上受到站点稀少和连续性差的限制（Cai等人，2017年；Cao等人，2022年；Pepin等人，2022年），而遥感数据则受到大气干扰和数据序列较短的影响（Aguilar-Lome等人，2019年）。ERA5-Land再分析数据作为一种有前景的替代方案出现，但其在高海拔地区的系统偏差（源于网格单元与实际地形之间的高程差异）阻碍了其直接应用（Khadka等人，2022年；Li等人，2022年）。早期的校正模型依赖于地面观测数据（Gao等人，2017年），而这些数据在QTP上非常稀缺。最近的研究转向使用再分析得到的参数：例如，Liu等人（2024b）通过机器学习将卫星观测数据与ERA5数据相结合。同时，利用从压力层温度剖面得出的近地表温度递减率结合高程差异，对ERA5-Land地表/近地表温度进行了物理校正（Zhao和Qian，2025年）。这显著提高了复杂地形和QTP上温度再分析的可靠性（Duan等人，2025年；Wu等人，2025a）。然而，覆盖QTP全高程范围的多压力层温度递减率模型仍不完善，限制了在复杂地形走廊（如G214）中的校正精度。

全球冻融分区已从基于经验的气温模型发展到基于GST的方法。Li等人（2018年）提出使用GST模拟混凝土温度场，相比基于气温的方法提高了分区的精度。Lin和Ou（2013年）开发了一种基于日最低气温低于-3°C的经验FTC计数模型，该模型在平原地区得到广泛应用。最近针对高原地区的研究包括Zhang等人（2024年），他们分析了中国高原地区混凝土使用环境的时空特征，以及Liu等人（2024a）通过纳入气候变异性优化了分区方法。尽管如此，现有的分区方法普遍采用经验阈值（0°C或-3°C），而没有结合材料特定的冰点，导致对材料-环境耦合效应的理解不足，适应QTP的特殊性较差（Wu等人，2012年；Zhang等人，2024年）。

为解决材料-环境解耦的不足以及复杂地形下GST校正的问题，本研究将材料级别的实验数据与区域气象数据相结合，开发了一种基于物理原理的分区方法。核心目标是：（1）通过温度平台法确定不同NS条件下C40混凝土（在G214工程中广泛使用）的冰点，建立材料特定的FTC阈值；（2）基于多压力层（400-925 hPa）温度递减率开发ERA5-Land GST校正模型，无需地面观测数据；（3）通过将材料阈值与校正后的GST相结合，量化1980年至2024年间G214的年冻融循环次数（NFTCs），并建立差异化的抗冻设计框架。

这项研究创新性地结合了材料属性和环境数据，将冻融评估从经验阈值推进到基于物理原理的预测。研究结果为G214地区的混凝土设计提供了科学支持，提高了寒冷地区基础设施的耐久性和安全性。

研究区域

G214国道是一条穿越中国永久冻土区的代表性公路。我们选择G214国道有三个原因：（1）它穿越了QTP上的永久冻土区和季节性冻土区，冻融条件差异显著（1100-6600米），使其成为寒冷地区的理想公路案例；（2）其混凝土结构（路面、路基等）受到FTCs的损害，需要基于证据的抗冻设计（Jin等人，2023年；Sheng等人，2015年）。

混凝土冰点对NS的依赖性及潜在机制

为了探索C40混凝土孔隙水的冻融特性，我们采用了温度监测方法。通过分析冻结过程中的温度-时间曲线特征，系统地确定了不同NS条件下的冰点。利用室外C40混凝土试样的内部温度数据和实验室确定的阈值，我们分析了青海省西宁市一个完整的冻融年度内的NFTCs。

在恒定条件下

讨论

最近，Chen等人（2023年）使用电阻率方法测量了混凝土的冰点，但没有考虑NS梯度的影响。本研究使用温度平台法量化了C40混凝土冰点与其NS之间的耦合关系（R² = 0.987，RMSE = 0.04°C，图7，p < 0.001）。Liu等人（2024b）通过Geo-LightGBM框架将卫星数据与ERA5数据融合，实现了高精度的GST反演。Zhao等人（2024年）

结论

通过混凝土冰点特性的实验室测试、ERA5-Land GST数据校正和区域环境耦合分析，本研究得出以下核心结论：

（1）我们阐明了C40混凝土冰点的物理调控机制：它不是一个经验常数，而是与自然饱和度（NS）存在显著的非线性正相关关系。结合G214国道沿线混凝土的实际使用环境，确定-3.30°C为

局限性与未来展望

尽管在混凝土材料与区域气象数据的耦合方面取得了进展，但本研究仍存在两个局限性。首先，尚未考虑盐-冻耦合效应。在G214国道沿线的盐碱地区（如查卡盐湖），土壤中的Cl⁻浓度达到2.8-3.5 g/L（Jin等人，2023年）。盐离子会降低孔隙溶液的冰点，从而降低混凝土的冰点（Farnam等人，2015年）。当前的阈值

CRediT作者贡献声明

秦艳辉：撰写——原始草稿，资金获取，正式分析，概念构思。尹金帅：方法论，调查，数据管理。袁建宝：撰写——原始草稿，软件，正式分析，概念构思。张乐乐：可视化，验证，监督，资源协调。李梦根：撰写——审稿与编辑，监督，数据管理。李成东：监督，软件，资源协调。马浩远：验证，方法论，调查。郑露露：撰写——审稿与