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.     

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.     

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。     

青藏公路高路基病害的形成及其机理

为研究以纵向裂缝为主的青藏公路高路基病害的形成及其机理,在大量实地调查研究的基础上,分析了高路基病害形成的原因,分析认为高路基病害不仅与融化盘有关,还与融化夹层、冻结核和冻土环境等相关。研究结果表明:高路基病害与路基高度及坡向直接相关;路基高度大于2.5m的路基内高路基病害占总量的75.7%,且阳坡侧病害占总量的66.5%;当路基高度小于临界高度时,融化盘及其偏移是形成路基病害的主要原因;反之,在高温冻土区,融化夹层则是主要因素,而在低温冻土区,冻结核形成的"凸"滑动面与阳坡侧坡脚下融化盘的联合作用引发了一系列高路基病害;施工质量与冻土环境的破坏等构成了影响高路基病害的人为因素;高路基病害的治理应因地制宜,结合病害的形成特点采取不同的治理方案。     

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.     

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.     

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。     

浅谈路桥过渡段施工技术及改进措施

从已投入使用的高等级公路特别是高速公路来看,常见的道路病害是:路面在台背回填处出现沉陷或断裂,车辆通过台背回填处跳车。路桥过渡段上的路基路面研究显得十分薄弱,桥面平整度差、早期损坏较普遍和桥台路基沉陷问题长期以来一直未得到根本的解决。因此,在分析路桥过渡段路基路面常见病害产生原因的基础上,提出了施工质量控制措施。     

冻融作用对中俄东线天然气管道工程过境段边坡影响

中俄东线天然气输送工程是目前国内输气量最大的跨国输气管道，确保该段工程的安全平稳运行，对保障天然气供需双方的经济利益具有重要意义。本文通过对中俄东线天然气管道工程过境段边坡的现场监测，监测了过境段边坡1年内的坡体温度与位移变化，然后结合数值模拟手段，分析了冻融作用对边坡稳定性的影响，得到结果：过境段边坡表面1.5 m深度以内的土体容易受冻融作用影响，过境段边坡在经历首次冻融循环作用后坡面位移最大可达30 mm；边坡安全系数随着冻融循环次数的增加不断减小至一个稳定值，过境段边坡安全系数最大值为2.96，最小值为2.5。本研究对中俄东线天然气管道工程过境段边坡安全维护工作具有指导意义。     

Experimental Study on Riprap Air-Cooled Roadbed of Qinghai-Tibet Railway

The riprap air-cooled roadbed and common roadbed experimental project were designed and carried on in Qingshuihe test filed, an area of warm permafrost category with the fine frozen soil along Qinghai-Tibet Railway, to decide the temperature field of the roadbed after railway construction. Based on ground temperature variation of natural hole, left and fight shoulder＇ s hole, the maximum thawing depth, and the deformation in these two kinds of roadbed were analysed comparatively. It showed that the riprap air-cooled roadbed had better effect of lowering ground temperature, lifting the maximum frozen-thawing depth obviously and decreasing deformation than that of the common roadbed. Therefore, the riprap air-cooled roadbed was a positive frozen soil protection measure for it effectively decreased ground temperature and protected permafrost.     

Temporal and spatial variations of the active layer along the Qinghai-Tibet Highway in a permafrost region

Using monitored active layer thickness(ALT) and environmental variables of 10 observation fields along the Qinghai-Tibet Highway in permafrost region of the Qinghai-Tibetan Plateau(QTP),a model for ALT estimation was developed.The temporal and spatial characteristics of the ALT were also analyzed.The results showed that in the past 30 years ALT in the study region increased at a rate of 1.33 cm a-1.Temperatures at the upper limit of permafrost and at 50 cm depth,along with soil cumulative temperature at 5 cm depth also exhibited a rising trend.Soil heat flux increased at a rate of 0.1 Wm-2 a-1.All the above changes demonstrated that the degradation of permafrost happened in the study region on the QTP.The initial thawing date of active layer was advanced,while the initial freezing date was delayed.The number of thawing days increased to a rate of 1.18 da-1.The variations of active layer were closely related to the permafrost type,altitude,underlying surface type and soil composition.The variations were more evident in cold permafrost region than in warm permafrost region,in high-altitude region than in low-altitude region,in alpine meadow region than in alpine steppe region;and in fine-grained soil region than in coarse-grained soil region.     

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。     

宁夏季节性最大冻土深度的分布和变化特征

利用宁夏全区23个冻土观测气象站资料及对应气象数据,运用线性倾向估计、M-K突变分析、Morlet小波分析等方法,采用自然邻近点插值法进行等值面推算,分析了宁夏最大冻土深度的分布状况及变化特征．结果表明,宁夏多年极端最大冻土深度为1-1．6m,多年平均最大冻土深度仅中部干旱带的兴仁、麻黄山和海原3个气象观测站在1m以上．近50a来,宁夏最大冻土深度呈逐年下降趋势．≥1m最大冻土深度出现频率20世纪以前呈依次降低趋势,但进入21世纪后又有增加趋势．分析了宁夏各地最大冻土深度年际变异系数介于13．5％-25．6％,说明对气候变化的响应比较敏感．通过周期分析说明多数站点在1968-1975年和1978-1985年间存在一个3a左右的周期．通过对典型代表站最大冻土深度与相关因子的相关性分析得出,影响灌区最大冻土深度的主要因素是日平均气温和日照时数;影响中南部山区的主要因素是日平均气温和日均地温．     

Thawing and freezing processes of active layer in Wudaoliang region of Tibetan Plateau

The interaction between permafrost and atmosphere is accomplished through transfer of heat and moisture in the overlay active layer. Thus, the research on the thermal and hydrodynamics of active layer during the thawing and freezing processes was considered a key to revealing the heat and moisture exchanges between permafrost and atmosphere. The monitoring and research on active layer were conducted because permafrost occupies about two thirds of the total area of the Tibetan Plateau. Based on the analysis of the ground temperature data and soil moisture data of monitoring near the Wudaoliang region of the Tibetan Plateau, the thawing and freezing processes of active layer were divided into four stages, i.e. summer thawing stage (ST), autumn freezing stage (AF), winter cooling stage (WC) and spring warming stage (SW). Coupled heat and water flow is much more complicated in ST and AF, and more amount of water is migrating in these two stages. Heat is transferred mainly via conductive heat flow in the other two stages, and less water migrated. Four water migration and coupled heat flow processes were addressed for the thawing and freezing stages, which are water infiltration driven by gravity, moisture advection and distillation driven by temperature and osmotic gradients, water migration driven by capillarity and unfrozen water migration driven by temperature gradient. The water content near the permafrost table tends to increase after one thawing and freezing cycle, which is the main reason for the development of thick ground ice layer near permafrost table.     

冻土退化过程中植被覆盖度的变化研究

在全球气候变暖的背景下,青藏高原的多年冻土出现了不断退化的现象.退化的多年冻土隔水作用减弱或消失,并导致依赖于冻结层上水的植被变化.在模拟高原多年冻土分布的基础上,分析了冻土的退化过程植被覆盖度的变化,结果表明,冻土的变化可分为3个阶段:冻土稳定段(80年代)、冻土快速退化段(90年代)和冻土缓慢退化段(最近十几年).同时,采用GIMMS(global inventory modeling and mapping studies)第3代NDVI数据(1982—2012年)分析青藏高原植被覆盖度的斜率变化特征,结果显示:在近31a来,青藏高原的植被覆盖度斜率整体上呈微弱增加趋势;植被覆盖在冻土退化的3个时段内的变化特征为:从20世纪80年代冻土相对稳定期到90年代的冻土退化期,比退化面积增大11%;近十几年来,冻土退化逐步减缓,植被退化的增幅减弱,面积比90年代增大了3%,但退化的区域更为集中.冻土退化与植被的变化机制复杂,本文的分析与发现对理解冻土对生态的影响有一定的意义.     

人工水平冻结冻土帷幕强制解冻温度场数值分析

结合某车站北端头盾构到达人工水平冻结加固工程,运用数值计算软件ADINA建立了人工强制解冻模型,研究了水平冻土帷幕在人工强制解冻条件下温度场的分布规律,分别对强制解冻过程中热水循环温度、热水循环时间,以及解冻管间距的敏感性进行了分析。结果表明：提高循环热水温度、延长热水循环时间以及尽量利用原有水平冻结管的最短间距均能够缩短冻土帷幕人工强制解冻的完成时间,进而提出了盾构到达水平冻结冻土帷幕人工强制解冻施工技术参数指标。     

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.