季节性冰盖的生消是我国北方地表水体的重要现象之一,如江河、湖泊、水库等。静态水体生长的湖泊冰盖对水体环境和工程设施可产生以下影响：一是冰盖几乎切断了大气-水体物质交换和削弱了其间的能量交换,改变了水体生态环境。例如,冰层切断了气-水气体交换可引起水体缺氧；冰层的透光性质和热传导性质控制着冰下水体的光、热结构,影响到水生生物和微生物的活动强度。二是受岸坡和水工结构物的限制,冰层温度改变而伴生的热胀冷缩效应,可对水库坝体、护坡、水工建筑物等施加挤压、剪切等荷载,甚至造成破坏。所以,研究冰自身的基本物理性质和热学、力学参数对于冰区环境和工程都具有重要意义。本文连续多个冬季对湖冰开展了现场调查和室内试验,来揭示湖冰生消过程和物理微结构特征,测定湖冰导热系数、剪切和弯曲强度,并探索湖冰微结构对冰热学、力学参数的影响规律和机理。首先,湖冰生消过程和微结构观测结果表明,(1)东北高纬度和青藏高原高海拔热融湖湖冰过程是当地气象过程的结果,融化期的东北平原湖冰和整个冰期高原湖冰存在明显的冰面升华和融化现象。(2)天然湖冰基本由表层颗粒晶体冰(P1或P3型)和中下部柱状晶体冰(S1或S2型)构成,颗粒冰厚度一般不多于最大冰厚的40%。湖冰内气泡特征较为复杂,基本形态可分为圆球型、细圆柱型、线粒型和脊椎型,区域差异显著。青藏高原湖冰内气泡尺寸和含量明显高于前人报告的关于淡水湖冰气泡含量。(3)湖冰晶体类型、尺寸不随冻结时间变化,冰内气泡随冰厚的增加先后出现圆球状气泡区、“洁净的冰”区、细圆柱气泡区,融化期开始后冰内气泡扩张、贯通,含量和尺寸增大；湖冰晶体构成和气泡特征存在年差异,主要受当年水文、气象条件控制。(4)建立了湖冰晶体和气泡参数与生长速率的关系。(5)对比分析淡水湖冰、渤海海冰、夏季北极海冰微结构异同,证实冰内孔隙的形成位置与冰晶体边界分布并不存在明显关系。其次,开展高纬度和高海拔湖冰导热系数测定工作,分析湖冰微结构对导热系数的影响规律。(1)湖冰晶体类型和尺寸对导热系数影响较弱,柱状冰水平向导热系数比竖直向略低(约5%)。东北高纬度湖冰气泡含量低(<3%)对导热系数影响不明显。(2)对比分析以往多孔介质导热系数理论计算模型的优劣,提出综合考虑冰内气泡含量、尺寸和分布形式的联合计算模型来计算湖冰导热系数。(3)尝试测定“高温”湖冰的导热系数,当冰温接近于融点且随着冰温的升高,湖冰导热系数迅速减小,并给出估算高温湖冰导热系数的曲线。再次,大量开展高纬度湖冰单剪强度和三点简支梁抗弯强度试验,测定天然湖冰剪切和弯曲强度,并探索湖冰微结构对其影响规律。(1)率先开展天然淡水湖冰剪切强度测试,在不同加载方向下颗粒冰剪切强度呈现各向同性,柱状冰表现出各向异性；本文从切断晶体比例、晶体边界和裂纹扩展机理等方面探讨冰晶体对湖冰剪切破坏形式和各向同异性的影响机理。(2)大批次开展湖冰弯曲强度测试工作,其中独立测定颗粒冰抗弯强度尚属首次,颗粒、柱状冰抗弯强度的各向同异性特征与抗剪强度相同,并从拉、压裂纹形成和扩展机理分析了冰晶体的影响。(3)冰内气泡含量虽小,但却造成湖冰抗弯强度约15%的降低,主要归因于气泡含量、结构以及其提供了拉伸破坏的原生裂纹。(4)综合评价了加载应变速率和冰温对剪切和弯曲强度的影响,随着温度降低,湖冰强度增大；湖冰峰值强度(或韧-脆转换区)对应的应变速率在2×10-5～5×104/s范围内。本文充分地揭示了湖冰晶体、气泡结构特征,及其年内、年际变化特征,发现湖冰生长过程对微结构的影响关系,并从本质上讨论了湖冰物理微结构对导热系数、剪切和弯曲强度的影响规律和机理。这些成果可为冬季湖泊、水库的运行、管理,水工建筑物的抗冰设计提供科学依据,对评价冰区工程行为和水体环境对气候变化的响应具有重要意义。