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.     

半导体新型热棒的试验研究及分析

冻土作为四相土体,其物理性质较为复杂,而且对于温度具有很高的敏感性,周期性的温度变化会使冻土路基发生冻胀融沉等病害。因此,在冻土地区修建铁路、公路一直是世界性的难题。在青藏铁路工程中,为了防止多年冻土的融化,维持多年冻土的稳定,热棒路基被广泛采用。众所周知,热棒只能在寒季工作,而暖季不工作。基于热棒的工作原理,再结合半导体制冷的原理,在暖季对热棒的冷凝段加入人工制冷装置,使其温度低于蒸发段的温度,从而驱使热棒工作,达到降低地温的目的。在风火山进行的试验表明,半导体新型热棒能够明显降低活动层的温度,有望在今后冻土区的铁路、公路工程建设中发挥良好的效果。     

青藏高原多年冻土区建筑基础工程施工和质量控制及环境保护

青藏高原多年冻土区冻土是一种对温度极为敏感的土体介质,冻土具有流变性,其长期强度远低于瞬时强度特征.按其特点把冻土分为三层:上面一层叫冻融层;下面一层叫永冻层,也叫冻结层;上下两层之间冻土为冻融相变混合层,冻土上限随气温不同发生上下移动,暖季冻融层厚度增加,永冻层厚度减小;寒季则反之.在冻土区修筑工程构筑物,其基础面临两大危险:寒季冻融层冻结,发生冻胀;暖季冻融层融化,发生融沉.同时,冻土区施工,还面临着生态脆弱,原有植被一旦破坏,很难恢复施工.为此,在冻土区的建筑工程基础施工时,注重多年冻土层的保护和基础工程的技术创新及质量控制,以克服地基融沉与冻胀所引起的基础变形与不稳定;同时,注重冻土区自然生态的保护和植被的恢复,多种新技术并用,以使青藏铁路与原有的生态完好的共存,保障青藏铁路的正常运营.     

青藏公路冻土路基阴阳坡热效应研究

青藏公路多年冻土路段的阴阳坡现象会引发路基及下伏冻土地基热状况不对称分布,影响长期稳定性.为此,基于实测坡面温度数据,开展不同年平均气温和路基高度条件下冻土路基地温场分布及演化规律的模拟.结果表明,年平均气温-3℃下阴坡冻结指数约为阳坡的2倍,融化指数约为阳坡的0.83倍.路基修筑后,阴坡一侧路基下部人为上限均有一定抬升.此后,在气候变暖及沥青路面强烈吸热效应作用下,路基左右路肩下部人为上限不断下降,其中高填方路基人为上限下降速率相对较快.阴阳坡效应作用下,东西路基下部人为冻土上限呈左高右低的趋势,下伏土体温度同样为左高右低.高填方路基下伏冻土层地温分布的不对称较同期的普通填方路基显著.     

边界条件对多年冻土区高速公路整体式和分离式路基热稳定性的影响

根据青藏高原不同年平均地温区域多年冻土的长期监测资料及附面层理论,分别建立整体式和分离式路基计算模型,分析气候变暖和工程活动作用下多年冻土的变化过程。考虑采用分离式路基来弱化宽幅整体式路基所引起的"聚热效应",分析不同年平均地温和隔离带宽度下分离式路基对多年冻土的影响。研究结果表明:与窄幅路基相比,宽幅路基具有强烈的吸热特性,导致下部多年冻土退化严重。在路基修筑后第50年,年平均地温为-0.5,-1.0,-1.5和-2.0℃区域的宽幅路基中心下部多年冻土上限比窄幅路基的分别低2.73,3.66,3.67和2.60 m,宽幅路基下部6 m深度多年冻土地温比窄幅路基的分别高0.61,0.87,0.82和0.48℃;两幅分离式路基之间存在相互热干扰作用,使得路基两侧土体温度场呈现明显的不对称性;随着年平均地温的降低和隔离带宽度的增加,路基两侧土体温度场的不对称性逐渐减弱,即两幅路基之间的相互热干扰作用减小。因此,拟建青藏高速公路可使用分离式路基来代替整体式路基进行修筑,且年平均地温和隔离带宽度是分离式路基修筑所要考虑的重要因素。     

基于水-热-力耦合作用的冻土区CRCP路面应力特性

为了研究多年冻土区地基融沉效应对路面结构应力状态的影响,基于水-热-力耦合作用理论,利用COMSOL有限元软件建立了冻土区连续配筋混凝土路面(CRCP)有限元模型,研究了基层与底基层材料参数、面板厚度与模量、配筋率对CRCP路面结构组合应力的影响,提出了适用于多年冻土区CRCP路面的合理结构形式.结果表明,地基融沉效应对于CRCP路面结构应力影响显著.融沉效应和车辆荷载耦合作用下,板内最大主应力随时间推移逐渐变大.板内最大主应力随面板、基层和底基层的厚度增加而减小,随各层模量的增加而增大,但配筋率的变化对其无影响.考虑融沉效应时,CRCP路面板+水泥稳定碎石+石灰土的路面结构较适宜于多年冻土区,可为多年冻土地区CRCP路面结构设计提供参考.     

青藏工程走廊带多年冻土导热系数测试方法对比研究

为分析不同测试方法对青藏工程走廊带内多年冻土导热系数测试结果的影响规律,指导冻土工程的热工设计和为走廊带内冻土导热系数的测试方法选择提供依据,搭建了稳态对比法、稳态热流计法、瞬态平面热源法和瞬态热线法冻(融)土导热系数试验测试平台,运用理论模型对稳态对比法测试过程中径向漏热量进行了估算,分别从测试结果准确性、适用土性类别和适用场合等方面对各类测试方法进行了对比。结果表明:稳态对比法试验结果与文献理论值相差较大,测试过程中径向漏热量无法忽略;稳态热流计法和瞬态平面热源法的测试结果与理论计算值具有较好的一致性,80%以上的测量值与理论值相对误差小于±15%;瞬态热线法测试结果整体偏小,冻、融土平均偏小17.75%和15.03%.考虑到瞬态平面热源法测试结果准确,测试时间短,样品需求量小,因而是一种合适的青藏工程走廊带冻(融)土导热系数大规模测试方法。     

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。     

中国东北多年冻土区植被生长对气候变化的响应

基于归一化植被指数(NDVI), 分析多年不同冻土分布状态下植被生长的年际变化趋势及其与气候因子的相关性差异。结果表明: 1981—2014年, 中国东北多年冻土分布区针叶林的NDVI呈增加趋势, 与生长季温度正相关, 与生长季降水量负相关。随着冻土活动层深度增加, 针叶林NDVI的增加速度自北向南逐渐下降; 草原NDVI在非多年冻土区加速增长, 与生长季降水量正相关。混交林在多年冻土区与非多年冻土区对气候的响应出现明显的差异: 在多年冻土区, 混交林NDVI与生长季温度正相关, 与生长季降水量负相关; 随着冻土活动层加深, 与生长季温度从正相关变为负相关, 与生长季降水量由负相关变为正相关。原因可能与冻土活动层深度差异导致的不同水分供给条件有关。上述结果预示, 在气候–冻土耦合影响下, 未来气候变暖可能会促进针叶林和混交林逐渐北移, 草原可能会更多地占据非多年冻土区。     

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.     

青藏高原热融湖塘水文变化及其工程指示意义

热融湖塘的发育和扩张显著地影响着青藏高原冻土区水文循环和工程稳定性.本研究选择青藏高原北麓河盆地典型的热融湖塘,开展热融湖塘的同位素水文变化研究及工程指示性.结果表明,永久性湖塘稳定同位素季节变化显著小于季节性湖塘;年际差异结果显示,热融湖塘同位素水文过程受降水量和气温的协同影响,大的降水事件使得湖水同位素显著贫化,而较高的气温加剧了湖水同位素蒸发分馏效应,产生了重同位素的富集效应;此外,夏季活动层和上限附近地下冰融化释放的水分成为湖塘水分的另一个重要的补给来源.最后,研究结果也证实了热融湖塘的发育对青藏公路路基有较大的影响,建议在高原冻土区开展工程活动时要重点考虑热融湖塘对工程进展和后续工程稳定性的影响.     

火干扰下的大兴安岭冻土活动层变化研究

利用相似流域比较法,选取1987年特大森林火灾严重过火区与未火烧区的两个小流域作为研究区,通过野外实验获取两个流域的冻土活动层厚度以及相关的环境因子数据,利用多因子方差分析对火干扰下的冻土活动层及其环境因子进行研究。结果显示:有无乔木以及乔木的生长状况,苔藓层、泥炭层厚度以及土壤的机械组成等均与冻土活动层厚度呈显著相关。火烧区的乔木已完全消失,苔藓层分布不均匀而泥炭层的厚度则显著小于未火烧区,从而导致火烧区的冻土活动层厚度显著大于未火烧区。冻土层的变化将进一步引起冻土区湿地格局变化、林缘后退等生态环境问题。     

黄山现代季节性冻土与第四纪多年冻土的推算

本文根据黄山南北麓——黟县、太平县的现代气温与地温资料,求出其相关系数,建立气温与0cm、5cm、10cm、15cm和20cm深地温的一元回归方程。利用回归方程计算黄山不同高度不同深度的现代地温值,并推算现代季节性冻土的深度和冻结期。根据第四纪冰期时气温约降幅求出当时黄山各日平均气温值,在假定这一地区气温与地温相关关系不变的情况下,用回归方程求出当时不同深度的地温值。用第四纪冰期时一月份的地温及深度值,拟定出深度——地温对数曲线方程,并用其求出不同地点的最大冻结深度。根据推算结果,第四纪冰期时黄山有岛状多年冻土分布,属季风型冰缘环境。     

青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应

为深入研究青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应,以指导该区域宽幅公路沥青路面结构设计、路基填挖形式及高度选择。将基于欧拉描述的大变形固结理论应用于冻土融化固结分析,研究融沉作用下路基高度、路面结构形式、宽度、厚度及模量对宽幅公路沥青路面力学响应的影响规律,并基于多目标规划理念,提出以沥青层底拉应变及路表差异沉降量综合最小为目标的力学响应综合评价指标P,用以评价路面综合力学响应。结果表明:柔性基层沥青路面沥青层底拉应变随路表差异沉降量呈先增大后减小的变化规律,倒装式、半刚性及复合式基层沥青路面、半刚性底基层层底拉应力则随其呈线性增大趋势;融沉作用下,ATB-25层底横向拉应变小于不考虑冻土融沉作用时;年均气温为-3.5℃、-4.5℃时,半刚性底基层横向拉应力显著大于不考虑冻土融沉作用时;P均值随路面宽度增大而增大,且22.5m时增大最显著;填方路基P均值随填方高度增大先减小后增大,高度为1m时最大,2m时最小,此后逐渐增大;挖方路基P均值随挖方高度增大而增大,高度为1m时最小,2m时显著增大。从路面力学响应角度,建议多年冻土区宽幅公路应尽量减小路面宽度,不宜大于17.5m;路基填方高度不宜小于2m,挖方高度宜为1m以下;对于年均气温-3.5℃、-4.5℃地区,路面结构形式宜选取柔性基层沥青路面。     

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.     

青藏铁路冻土路基活动层形成特性研究

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明：活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小,受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。     

青藏铁路冻土路基活动层形成特性的试验研究

在环境温度季节性变化的条件下进行室内模拟试验,探索了模拟冻土路基活动层形成的试验方法,研究了青藏高原多年冻土区路基活动层的形成活动规律。试验表明:活动层从初始形成到基本稳定过程中,近地表土层对外界温度场的变化响应灵敏,随外界温度的改变出现规律的波动;深层土层对外界温度的变化表现出滞后性,温度曲线波动幅度较小;活动层在趋于稳定的过程中土层的温度特征呈现出较为明显的区域相似性,在一定外温影响范围内土层温度场变化规律接近;在环境负温的初期表层土层迅速降温,活动层厚度开始逐渐减小。受外界气温及深层冻土冷源作用的共同影响,活动层冻结过程中会出现从上下边界同时冻结的现象,加快了活动层的冻结速度。     

南北过渡带地区浅层地温的全球变化响应——以信阳城区为例

利用中国南北过渡带中部河南省信阳城区1961-2017年逐月平均气温和逐月0～20 cm浅层地温资料,采用统计学、Mann-Kendall和功率谱分析等方法分析了过去57 a信阳城区浅层地温的变化特征及其对全球变化的响应.结果表明:(1) 1961年以来信阳各层年平均地温均呈显著升高趋势;(2) 1961-2017年信阳各层年、季平均地温周期多以2～4 a为主,且秋季和冬季周期现象明显;(3) Mann-Kendall分析显示,5～20 cm地层年均地温于20世纪90年代初发生突变,而0 cm地温却于20世纪末发生由冷转暖的转折;(4)信阳浅层地温对气温变化极为敏感,0 cm地表温度对气候变化的响应最为敏感.     

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。     

多年冻土区聚苯乙烯隔热公路路基温度场数值分析

为了研究随外界环境条件改变聚苯乙烯(EPS)冻土路基温度场变化特征,运用ABAQUS有限元分析方法,对多年冻土区EPS隔热路基的温度场进行了数值模拟.计算时采用改变EPS铺设位置,模拟路面下多年冻土季节最大融深在路基修筑完工后8a内随时间的变化.通过对计算结果分析得出,在多年冻土区路基中铺设保温材料对路面下多年冻土具有明显的保护作用.当EPS铺设在路堤底部时,路堤温度场分布比较均匀,路堤内部都为正温,在EPS板下,路基温度都为负温,说明EPS有效阻止了边坡和路面传入的热量.因此,如果要修筑EPS隔热路基,应将EPS板铺设于路堤底部.