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．     

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。     

论多年冻土路基的施工

本文简单介绍了冻土的概念、分类以及冻土的特性,分析了多年冻土对路基的危害以及多年冻土地区路基工程所采取的设计原则,指出了施工工艺的正确选择是解决路基施工的技术关键。     

青藏公路多年冻土路基内的热状况

基于青藏公路沿线2组地温观测孔5年的地温观测资料,定量分析了高温冻土区和低温冻土区路基内的热状况.结果表明:路基近地表地温明显高于对应天然地表下的地温,路基近地表经历的融化期长于对应天然地表,高温冻土区路基内已形成贯穿融化夹层;进入路基内活动层的热收支呈明显热积累状态;进入高温冻土区路基下伏多年冻土内的热收支处于持续不断的吸热状态,进入低温多年冻土区的热收支也呈现出吸热明显大于放热的周期性变化;高温冻土区接近0℃的地温及其持续不断的热积累是引起下伏多年冻土不断融化的主要原因,低温冻土区进入多年冻土的热积累暂时以增高地温耗热为主,随着地温的增高,低温冻土区也可能发生强烈的冻土融化.     

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...     

青藏铁路多年冻土区路基温度场的模拟与预测

在多年冻土区修建铁路站场路基,打破了原来天然地表与外界的热力平衡,地下温度场将重新分布.根据此特征可推断多年冻土的发展演化趋势以及评定路基的稳定状况.结合青藏铁路某段站场路基实际监测数据,利用ANSYS软件对2002年～2030年地下温度场进行有限元数值模拟.模拟计算结果表明:路基下冻土上限发生上移,多年冻土得到了保护;在年平均气温增长0.02 ℃的条件下,试验段内冻土人为上限和未受路基影响的冻土天然上限均逐年下降;同时,路基阳坡、阴坡两侧地下温度场分布特征的差异构成了路基不均匀变形和路面裂缝的潜在威胁.     

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.     

公路工程冻土类型划分研究

在总结分析国内外已有冻土分类方案的基础上,针对中国现行公路工程冻土分类标准中存在的不足之处,结合目前对青藏公路沿线多年冻土研究的最新成果,提出了以多年冻土含冰特征与多年冻土年平均地温的综合指标——冻土热稳定性为基础的公路工程冻土类型划分方案,并对所划分出的三种冻土类型给出了相应的冻土路基设计原则.     

柴木铁路高原多年冻土区路基施工技术

介绍了柴木铁路多年冻土区路基的施工工艺,包括填方路基、挖方路基、石质冻土路堑的施工方法。     

青藏公路沿线多年冻土的变化和现状

在全球气候转暖,特别是在沥青面层铺筑的影响下,青藏公路路基下多年冻土与原始状态相比有了很大的变化,除个别路段外大部分退化显著,沿线多年冻土的分布和状态已十分复杂,其分布和冻土年均地温、冻土上限深度等性质具有明显分段性.研究其分布和性质的演变规律与现状,对青藏公路多年冻土病害整治和青藏铁路建设具有重要意义.     

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.     

青藏铁路运营以来冻土路基变形特征及其来源探讨

路基变形是路基稳定性的外在表现形式。基于青藏铁路多年冻土区路基变形与温度监测资料,分析了铁路路基变形总体特征,并探讨了路基变形的来源。该研究为青藏铁路路基稳定性判断及病害预警提供数据支持,为铁路工程的维修养护提供依据,也为变形理论分析提供必要的科学依据。研究结果表明:青藏铁路自通车运营以来路基变形总体上趋于平稳,仅有2个断面的变形超出规范要求,但仍有部分监测断面的沉降变形处于发展之中。(部分路基断面不均匀变形明显,表现为路肩纵向变形和路基横向变形差异较大。路基变形较大的断面,其变形主要来自路基下部因多年冻土人为上限下降而引起的高含冰量冻土的融沉变形、融土的压密变形以及下部多年冻土的压缩变形。路基变形较小的断面,其变形主要来自路基下部多年冻土与残余冻土的压缩变形。)     

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。     

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.     

青藏铁路清水河段多年冻土区站场路基的试验研究

通过对青藏铁路清水河段站场路基的初步试验,获取了地温变形数据,探讨站场路基的冻结和融化过程的规律.实验表明:站场路基下冻土人为上限发生了上移,多年冻土得到了保护,为类似路段多年冻土工程提供借鉴.     

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.     

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。     

浅谈对青藏高原冻土的几点认识

青藏铁路格尔木至拉萨段全长1142公里,其间穿越多年冻土层550公里,先后攻克多年冻土隧道、桥梁、路基使用应用技术等世界性难题,创造性地采用了热棒、片石通风路基、片石通风护道、通风管路基、铺设保温板等多项设施提高冻土路基的稳定性,不少冻土工程措施填补了国内技术空白。     

高纬度林区多年冻土片块石路基降温效果及变形特征

在边坡滑塌、不均匀沉陷等路基病害极易发生的多年冻土区,片块石路基是一种常见的路基结构,而其在高纬度林区的应用研究还相对较少。本文针对高纬度林区多年冻土体积含冰率高、对温度变化敏感等特征,以高纬度林区某段公路多年冻土片块石路基工程为例,建立冻融循环热力耦合数值模型,分析了片块石路基温度场和应力-应变场的变化规律,研究了路基冻胀融沉的热力学机制。结果表明：高纬度林区多年冻土片块石路基的温度场,在地下2 m内受地表温度影响显著,而地下2 m以下受影响较小,温度稳定在-1.5 ℃。多年冻土片块石路基的变形以融沉为主,在11月达到最大值,为13.5 mm;而冻胀量在4月达到最大值,为7.5 mm。路基融沉主要归因于冻土的融化,而路基冻胀是由于路基结构本身的冻胀变形引起的。因此,在高纬度林区多年冻土路基采用片块石冲压层和填筑层的结构是可行的,对路基下冻土起到良好降温效果的同时,路基的变形量也控制在了规范要求范围内。     

多年冻土区高等级公路路基温度场研究

在全球变暖的背景下,利用有限元法对多年冻土区高等级公路路基温度场进行数值模拟研究。分析路基高度分别为2.0,3.0,4.0,5.0和6.0 m时路基高度与路基下方冻土上限的关系,分析路面宽度分别为14.0,16.0,18.0,20.0和24.0 m时路面宽度与路堤内和基底融化夹层面积的关系。研究结果表明:在影响路基下方多年冻土上限和融化夹层面积的各因素(路基高度、边坡坡度和路面宽度)中,路基高度对冻土上限的影响程度最大,路面宽度对路基内和基底融化夹层面积的影响最大;冻土路基在20 a的设计使用年限内合理高度为4.26 m;冻土路基在不采取"冷却地基"措施的情况下,在20 a的设计使用年限内,路面最大宽度为6.0 m;当路面宽度为12 m时,分幅路基的合理间距为35.3 m。