立足科研 冻土扬威——访中国科学院寒区旱区环境与工程研究所研究员李东庆

李东庆博士主要从事冻土及寒区道路工程和含天然气的海底软土工程特性方面的研究工作。在有关多年冻土退化，冻土工程模型试验与冻土冻融过程数值仿真、冻土路基工程应用技术等方面的研究工作中取得了创新性的成果，对多年冻土地区路基稳定性的影响因素和不同路面类型与不同路基高度对路基下多年冻土的影响程度进行了详细的模拟分析研究．     

冻土区路基中隔离层设置的研究

研究冻土区路基隔离层设置对路基稳定性的影响,能为我国冻土区道路病害防治提供一定的参考依据。通过对冻土区隔离层在防治路基病害中的设置方式、厚度和位置的概括和总结,并在此基础上,探讨了今后需要进一步研究的问题。     

青藏公路冻土路基最大设计高度研究

针对冻土路基斜坡稳定性受温度场影响的特殊性,采用自行开发的数字路基仿真平台对不同地温、不同坡度和不同路基高度条件下的大量工况进行了温度场数值模拟。采用冻土力学参数与地温的拟合公式将温度场与力学场关联起来,并考虑到冻融交界面作为软弱夹层对于冻土路基稳定性控制作用,采用自行编制的冻土斜坡稳定性评价程序对各工况进行了稳定性系数计算,并考虑了荷载作用对冻土路基斜坡稳定性的影响。参照《公路路基设计规范》中对于路堤软弱层滑动稳定性的设计规定,提出了不同坡比、不同荷载作用条件下的冻土路基最大设计高度。     

青藏铁路低温冻土区片石路基的温度特征

在青藏铁路五道梁低温冻土区进行了片石护道路基新结构和土护道路基结构的实体工程试验,以确定路基修筑对温度场的影响.对测试断面冻融循环的地温监测资料的分析表明,2004年片石路基左右路肩孔冻土上限处,年平均地温分别低于土护道路基相应位置0.12℃和0.14℃,2005年片石路基左右路肩孔分别低于土护道路基相应位置0.65℃和0.03℃,冻土上限以下地温均呈逐年下降趋势.片石护道和土护道路基冻土上限均存在不对称性,但随着时间发展,片石护道路基最大融化深度位置基本接近或超过天然地面,且冷生过程还在继续.该区域的片石护道路基新结构能够有效发挥降低地温、主动保护多年冻土的作用.     

青藏铁路路基工程可靠性分析思路浅析

青藏铁路沿线多年冻土具有强烈的时空变异性,多年冻土变异性受到了许多不确定因素的影响。气候变化不确定性、工程影响本身的不确定性、冻土工程性质变化的不确定性以及多年冻土变化的不确定性等,必须依靠不确定性的研究方法来实现,因此,必须引进可靠性评价的思路来分析路基稳定性变化。主要分析了青藏铁路多年冻土空间变异性和多年冻土工程性质变异性,论述了工程可靠性分析在青藏铁路冻土路基工程稳定性分析中应用的必要性;结合冻土路基工程稳定性特点给出了冻土路基工程可能的失效模式;结合多年冻土区路基设计原则,对冻土路基工程稳定性进行了可靠性设计和评价。     

多年冻土地区路基变形研究

本文对多年冻土地区路基开展全面调研,对路基病害进行了专项调查,全面分析了路基变形组成及其主要影响因素.通过对冻土的工程性质研究,结合多年冻土地区的环境条件,对该路基变形计算方法进行了探讨.最后,本文提出了控制多年冻土地区路基变形的工程措施.     

青藏铁路保温板热棒复合结构路基保护冻土效果数值分析

根据带相变热传导有限元方法,对普通路基、含保温板路基、热棒路基和保温板热棒复合结构路基在未来50年青藏铁路沿线气温上升2.0℃情况下的温度场进行了预报分析和比较.计算结果表明,在年平均气温为-3.5℃或地表年平均温度为-1℃的地区,在青藏铁路50年的使用期内,普通路基、含保温板路基和热棒路基在气温升高条件下路基下伏、冻土都将发生融化,路基将会产生较大融沉变形,不能保证青藏铁路路基的稳定性.而保温板热棒复式结构充分利用了保温板和热棒两种措施的优点,可以更好的提高保护冻土的效率.     

冻土路基边坡稳定性计算程序开发

寒区边坡稳定性评价的特殊性在于其土体内部温度场的不均匀性。针对寒区边坡特点,提出以冻土物性参数随温度变化作为温度场和应力场的耦合纽带。考虑温度分布对土体力学性质改变及冻融交界面的影响,开发了耦合温度场的冻土边坡稳定性评价程序;并对非圆弧滑面稳定性系数求解中取矩中心的求解做了相应改进。利用开发的冻土路基稳定性计算程序,对坡度为1∶1.5的4 m路基进行了不同地温条件下的工况计算。计算结果表明在评价冻土路基正融期滑坡的稳定性时,采用折线滑面的方法来评价更为科学、严谨。此外计算结果还表明,冻土路基年度最小稳定性并非出现在融深最大的10月份,而是出现在暖季的早期从而形成热融滑塌现象;且年度最小稳定性出现的时间随地温的降低而向后推移。     

季节性冻土路基变形监测及其稳定性分析

季节性冻土地基具有冬季冻胀、春季融沉的特性,在其上修筑的路基通常产生沉降和滑移变形,最终导致路基失稳。基于上述原因,通过介绍季节性冻土路基冻胀和融沉产生的机理,以及季节性冻土路基变形监测的原则和内容,并结合墨脱公路的监测结果对季节性冻土路基的稳定性进行分析评价。该研究对季节性冻土路基的设计、施工及稳定加固具有重要的指导意义。     

青藏铁路运营期间冻土路基裂缝问题研究

运营期青藏铁路冻土区路基工程最值得关注的变化是不同部位裂缝的发生和发展以及对线路安全运行的影响.通过对不同时期青藏铁路多年冻土区路基工程裂缝发生发展影响因素的分析,认为冻土区路基工程基底地温场的不对称以及基底土体冻融过程不同步是路基工程变形裂缝发生的主要原因,路基坡脚和周围冻土水热环境变化是裂缝发展的拉动力,路基填料性质也是不容忽略的因素;根据运营期间冻土路基热状态和工程状态分析,对运营期青藏铁路冻土路基工程状态进行了初步评价,并提出了减少或消除地温场的不对称及保护路基坡脚冻土环境,从而抑制冻土路基裂缝的工程对策.     

多年冻土路基水-热-力耦合理论模型及数值模拟

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上，提出水-热-力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393＋950的冻土路基为计算对象，得出了1月份路基温度场、水分场及应力场（变形场）的分布规律：路基温度场内部存在着未冻土核；水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势；在负温条件下，土体的体积含冰量超过临界值时，将产生冻胀现象。研究结果表明，多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中，路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。     

热管在青藏高原多年冻土区高速公路应用中的适用性评价

为了研究多年冻土区高速公路热管路基的制冷效果及适用范围,建立热管路基水热计算模型,分析不同条件下的热管路基冻土人为上限深度和热稳定状态,并将路基高度、年平均气温、气温年较差3个因素形成组合进行热管的适用范围分析。研究结果表明:对于气温年较差为12℃的冻土区,高度为4 m的热管路基适用于年平均气温低于-5.5℃的区域,高度为3m的热管路基适用于年平均气温低于-5.8℃的区域;对于青藏高原大部分地区,在15 a的运营期限内,高速公路热管路基具有一定的局限性,其服役期限内不能保持路基稳定性;但对于风火山地区,采用高度为3 m的热管路基可以保证工程稳定性。     

国道219线（狮泉河至日土段）改建工程中冻土病害的防治

新藏公路（国道219线）沿线海拔高、气候冷,存在大量冻土区。在狮泉河至日土段沿线冻土主要是季节性冻土,容易发生路面翻浆、涎流冰、路基融沉等冻土病害。本文通过对道路沿线冻土病害主要形式、形成原因以及主要防治措施的阐述,得出利用置换填土和铺设土工织物相结合的防治方法对解决道路沿线季节性冻土十分有效。文章最后提出了在道路修建过程中要加强环境保护,减轻人为因素对冻土的扰动,并加强道路沿线监测的建议。     

解决青藏铁路建设中冻土工程问题的思路与思考

围绕青藏铁路冻土工程地质、气候变化对冻土及铁路路基稳定性、生态环境变化与保护问题,分析了青藏铁路工程建设中存在的冻土工程技术问题,提出了青藏铁路建设中应对这些问题的新思路,采取积极保护多年冻土的主动冷却路基的思路和动态设计思路,并给出了青藏铁路建设中下一步应思考和研究的问题。     

块碎石在冻土道路工程中的应用与研究

在我国冻土分布十分广泛,这些冻土区域的许多道路由于全球气候变暖经常发生严重病害,影响交通安全。为解决这一问题,块碎石作为一种建筑材料在冻土道路路基工程中得到大量应用,取得了很好的工程效果,有效保护了路基下部的冻土,确保了道路的多年稳定。目前,对于块碎石保护冻土的作用、机理等已进行了大量的试验和理论研究,本文主要针对取得的研究成果做一归纳总结,以期能为今后的研究提供参考和帮助。     

岛状冻土路基竖向位移周期性热响应试验研究

大、小兴安岭等高纬高寒地区,由于区域内多为退化性岛状多年冻土,其公路建设难度主要取决于冻土路基的热稳定状态,准确分析岛状冻土路基竖向热位移的发生及发展特点,是提高公路使用寿命,保证公路使用安全的前提.以小兴安岭地区前嫩公路为对象,选取代表性冻土路基试验断面,通过对工后一年内路基土体竖向位移进行试验观测,发现岛状冻土路基...     

多年冻土地区常见的路基病害及整治措施简介

青藏高原分布有大面积的多年冻土和季节冻土,在冻土区进行道路工程建设过程中,冻土问题是影响和制约整个工程建设的关键因素.本文作者通过检索查阅多年来相关问题研究的文献资料,结合多年的勘察设计经验,简单总结了多年冻土区常见的路基病害、路基病害整治工程遵循的原则及常用的整治措施.     

热流固耦合作用冻土路基变形规律研究

为揭示季节性冻土路基温度场、应力场和夏季降雨与冰晶融化所产生的渗流场,三场耦合引起的冻土路基变形与破坏.根据热流固三场耦合理论,提出了考虑相变的温度场、渗流场和变形场耦合的数学力学模型,体现了冻土路基中固体骨架、水、冰三相介质的水、热、力耦合作用;在数值模拟分析中,将路基仅受温度载荷与温度和车辆荷载共同作用进行了比较,得出冻土路基的变化规律,其研究结果对冻土路基的施工和维护有一定指导意义.     

浅析季节冻土地区铁路路基冻害及防治

分析了季节性冻土地区铁路路基道床冻害、表层冻害、深层冻害及路基翻浆形成的原因，提出了防治对策与措施。     

基于反演参数的多年冻土路基长期温度场预测

利用青藏铁路清水河试验段路基3 a的现场温度场及沉降监测数据,采用模拟退火算法改进的BP神经网络算法反演了冻土路基的热力学参数,并在反演参数的基础上应用有限元法模拟预测了冻土路基在不同保温处理方案下的长期温度场变化情况.结果表明:保温材料路基阴阳坡地的温度场差异小于素填土路基,多年冻土季节性活动层厚度也远低于素填土路基;保温材料路基施工后3 a内仍将发生冻融变形,形成路基病害,但破坏程度低于素填土路基;50 a后,保温材料路基将与青藏高原气候环境达到新的热平衡状态,施工对多年冻土造成的破坏可得到修复,路基稳定性良好,但素填土路基仍存在较厚的季节性活动层,这将会使路基发生严重的变形破坏;保温处理方案可较为有效地减少冻土路基的不均匀沉降.