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。     

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.     

热棒填土路基降温效果的三维非线性有限元分析

基于热棒的工作原理,结合唐古拉山冻土区的道砟填土路基,考虑热棒材料本身的高导热性、阴阳坡、冻土相变等因素,采用有限单元法计算分析热棒对填土路基的降温效果。研究结果表明:第1年热棒运行结束后在路基阳坡下方形成直径大约为8.6 m、温度低于-0.5℃的低温区;右坡脚(阴坡)下形成直径大约为9.6 m、温度低于-0.5℃的低温区,并在低温区内热棒周围形成了温度低于-3℃的条形低温核;第3年路基下方靠近阴坡位置形成温度低于-0.8℃的低温区,热棒起到了很好的制冷效果,保证路基下伏冻土不融化,从而保证路基的稳定性。     

青藏高原多年冻土区铁路路桥过渡段温度场三维数值分析

 基于过渡段相变三维传热分析模型,对未来30 年路桥过渡段温度场进行分析与预测,研究了过渡段阴阳坡时空效应对路桥过渡段长期热稳定性的影响。计算结果表明：随着路桥过渡段运营时间的增长,各纵断面最大融化深度部位逐渐由过渡段转移到台背后路基,各横断面最大融深及最大融化速率位置均由阳坡坡脚转移到路基中心与阳坡路肩之间,相同运营时间,沿台背方向阴坡坡脚冻土上限变化并不明显;随着运营时间的增长,各横断面阳坡坡脚融化速率均大于天然冻土地基融化速率;各横断面除阳坡坡脚的其余部位在运营25 年以前,人为上限退化率基本小于天然冻土上限,运营25 年后,人为上限退化率逐渐大于天然冻土上限。     

冻土融沉对路面结构力学响应的影响

为研究冻土融沉规律及其对沥青路面结构的影响,结合青藏高原地区实测温度数据,运用数值模拟技术研究多年冻土地区路基温度场变化特性,分析特定温度场条件下冻土路基融沉规律,再以该融沉曲线为路面结构的位移边界,计算了路面结构的融沉附加应力,并与无融沉时的结构响应进行了比较。研究结果表明:冻土路基从表面逐渐向内融化,当外界温度较低时,路基土内部还存在冻土核,当外界温度足够高时,则路基土内部可能全部融化;当融深较大时,固结沉降较大,反之则较小;冻土路基融沉变形曲线近似于抛物线形状,回归建立了路基融沉变形公式,而在此位移边界条件下,路面结构产生附加应力,会对结构产生不利影响。     

青藏铁路多年冻土区路基排水设施病害及治理措施

受气候变暖和工程活动的影响,冻土极易发生融化而产生融沉变形,并诱发多年冻土区工程构筑物的破坏。在青藏铁路建设阶段,路基的排水沟主要采取"U"型混凝土侧沟、混凝土块拼装式侧沟等柔性结构,但由于受到地基土往复的冻胀、融沉作用,这些路基排水沟破损严重,后期的维修和养护工作困难。本文针对青藏铁路多年冻土区发育的路基排水沟病害,基于大量的野外病害调查工作,分析总结了排水沟病害的主要类型及其诱发因素,最后提出了几种有效的防排水措施,对于确保青藏铁路的长期安全运营和日常的养护维修都具有重要的指导意义。     

多年冻土地区路基纵向裂缝影响因素

根据青藏公路纵向裂缝现场勘察和形成机理分析,认为导致路基纵向裂缝的主要原因是路基边坡坡脚下融化区的产生及发展。通过非线性弹塑性有限元分析,研究了融化深度、融化区位置和融化区切入长度对纵向裂缝形成的影响规律。研究结果表明:随着融化深度不断加深,纵向裂缝产生的可能性增加,且规模逐渐增大,但并不影响裂缝产生的位置;融化区切入长度不同,纵向裂缝产生的位置不同,纵向裂缝的规模也不同;在所有切入长度中,存在一个临界长度,此时纵向裂缝的规模最大;随着融化区中心位置不断向路基中心移动,路基纵向裂缝呈现出复杂的变化现象,融化区中心位置影响路基纵向裂缝是否产生及其产生的位置。     

冻土区铁路片石护坡路基变形分析

路基变形主要包括蠕变和固结两部分。冻土和永久冻土的强度和变形特性与其他固体和未冻土的区别在于,当在冻土中施加外荷载时经常发生不可逆的结构再造作用,导致在很小荷载下出现应力松弛和蠕变变形,即冻土的强度和变形随时间而变化。随着自然界四季交替变化,路基土体经历着从非冻结状态到冻结状态以及再次融化的过程。     

考虑蠕变损伤作用的高山草甸区路基冻胀特性——以贡觉至芒康公路为例

冻胀融沉现象是高山草甸区路基的主要病害,是急需解决的重要问题。对于季冻区路基,蠕变作用使得路基冻胀变形更加复杂,因此,建立一种考虑蠕变损伤作用的冻土数学模型尤为重要。将冻土视为非线性弹性体,考虑冻土体蠕变损伤作用,分别从水分场、温度场、应力场角度,基于各物理场的微分控制方程式及其之间的联系方程,建立冻土在三场耦合下的数学模型。基于该数学模型对高山草甸区路基进行数值计算。研究发现,路基的最大冻深位置在路基表面以下1.2 m处,冻结锋面推移最大深度达到距离路基顶端以下0.6 m处;在左右路基顶角、新旧路基填土交界处及坡脚拐点处易出现应力集中;最大水平位移约为6.44 mm,最大竖向位移约为15.8 mm,大致出现在两侧坡面与路基顶面交界角处,应重点加强两侧坡面及路基顶面交界角处的防冻胀处置措施。     

特殊气候条件对多年冻土地区路基的影响

为了揭示多年冻土地区路基病害发生的根源，基于青藏高原五道梁、沱沱河和安多等地的气象资料，研究了特殊气候条件对青藏公路路基的影响。从青藏高原年平均气温变化曲线及年降水变化曲线入手，考虑路基周期冻结和融化过程中水分迁移及相变作用，结合SWS-3型连续面波仪的路基强度测试结果，分析了青藏公路纵向裂缝、波浪扭曲变形和不均匀沉陷等典型病害的发生机理。研究发现：青藏高原的低温特征使得路基常年处于冻结和融化的交替状态；雨季集中、固态降水特征致使路侧积水严重；在特殊的气候夺件下路基土体的动弹性模量由最初的均匀分布逐渐过渡到不均匀状态；路基两侧的积水及土体的冻融疏松是造成路基强度不均匀分布、产生病害的直接原因。     

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.     

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.     

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。     

Discussion on Theoretical Analysis and Calculation of Settlement and Cracking in Subgrade in Permafrost of the Qinghai-Tibet Plateau

Thedeformingprocessofroadbedsbuilton altitudepermafrostisverycomplicated,whichis relatedtothemechanicsofnon saturatedsoil underlowatmosphericpressure.Thedeformation ofroadbedisalsocloselylinkedtowatermigration andthermalsieveeffect.NowbothinChinaand abroad,there’ssomeunderstandingofwater migrationandthermalsieveeffect.Butsofar,no researchwaseverdoneontheirimpactson roadbeddeformation,northere’sanyresearchon themechanicsofnon saturatedsoilunderlow atmosphericpressure.Thestabilityofroadbedis …     

青藏铁路路堤纵向裂纹形成与扩展的力学机理

在多年冻土区修建路堤,打破了原来天然地表与外界的热力平衡,引起地下温度场重新分布,使得路堤两侧的天然地表下多年冻土融沉,造成整个路堤应力场局部出现应力集中,导致路堤的两侧出现了大量的纵长宽大裂纹。这些裂纹在上覆荷载作用,尤其是列车动荷载或者地震作用下,有可能发生路堤的突然沉陷,严重危害行车安全。就路堤应力集中现象来讨论裂纹的形成和扩展力学机理,即裂纹扩展主要受拉应力作用,而裂纹的扩展角受剪应力的控制。     

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。     

Calculation theories and analysis methods of thermodynamic stability of embankment engineering in cold regions

The calculation theories and analysis methods of thermodynamic stability of embankment engineering in cold regions are systematically summarized.The engineering theories and methods taken to control frost heave and thaw settlement in seasonal frozen soil regions may not be applicable in permafrost regions.The active cooling technology of roadbed should be utilized to limit the effects caused by both climate changes and human engineering activities.The paper mainly discussed the calculation theories and analysis methods of four kinds of embankment structures,i.e.,the crushed-rock embankment,duct-ventilated embankment,thermosyphon embankment,and composite embankment.It is expected that a scientific basis could be provided for the theory,design,and application of embankment constructions in cold regions.     

Metagenomic analysis of a permafrost microbial community reveals a rapid response to thaw

Permafrost contains an estimated 1672?Pg carbon (C), an amount roughly equivalent to the total currently contained within land plants and the atmosphere. This reservoir of C is vulnerable to decomposition as rising global temperatures cause the permafrost to thaw. During thaw, trapped organic matter may become more accessible for microbial degradation and result in greenhouse gas emissions. Despite recent advances in the use of molecular tools to study permafrost microbial communities, their response to thaw remains unclear. Here we use deep metagenomic sequencing to determine the impact of thaw on microbial phylogenetic and functional genes, and relate these data to measurements of methane emissions. Metagenomics, the direct sequencing of DNA from the environment, allows the examination of whole biochemical pathways and associated processes, as opposed to individual pieces of the metabolic puzzle. Our metagenome analyses reveal that during transition from a frozen to a thawed state there are rapid shifts in many microbial, phylogenetic and functional gene abundances and pathways. After one week of incubation at 5?°C, permafrost metagenomes converge to be more similar to each other than while they are frozen. We find that multiple genes involved in cycling of C and nitrogen shift rapidly during thaw. We also construct the first draft genome from a complex soil metagenome, which corresponds to a novel methanogen. Methane previously accumulated in permafrost is released during thaw and subsequently consumed by methanotrophic bacteria. Together these data point towards the importance of rapid cycling of methane and nitrogen in thawing permafrost.     

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。     

保温材料在硫酸盐渍土路基中的应用研究

聚苯乙烯泡沫板(EPS板)在国内外多年冻土区工程中的应用较为广泛,但对于在盐渍土中使用保温材料应用研究相对还比较少。为了研究随外界环境条件改变聚苯乙烯(EPS)盐渍土路基温度场变化特征,本文主要在新疆地区农二师21团－24团公路路段长期监测数据的基础上,运用ABAQUS有限元分析方法,对盐渍土EPS隔热路基的温度场进行数值模拟。通过对比分析,验证了模拟结果的准确性,研究了在硫酸盐渍土中EPS的保温效果;提出了保温板铺设的最佳位置及适宜厚度;总结分析了保温板铺设位置及厚度与路基填土高度的关系。