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。     

牙林铁路育林段冻土路基病害整治探讨

结合牙林铁路育林段路基冻害,分析高纬度区多年冻土水文地质特征、年冻土类型、冻土物理力学参数及多年冻土的冻胀性、融沉性。提出多年冻土路基病害原因及整治方案。     

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。     

高原冻土地区路基施工

我国高原地区分布广泛，高原冻土地区地基施工一直是高原公路建设的一个技术难题，本文以青藏高原某公路多年冻土区地基施工为例，首先介绍了多年冻土区病害特征，详细介绍了融沉问题和冻胀问题，最后总结了冻土地区路基设计的原则。     

多年冻土区级配改良结构性路基热学机制

提出在青藏高原多年冻土上修建路基的一种新型结构——级配改良结构性路基，即通过路基填土的粒径级配重组和水平排水板的结构改良，改善路基的热效应，并建立级配改良结构性路基模型；根据粗砾石的Balch效应和级配改良粗粒层自然时流效应，分析级配改良结构性路基保护多年冻土的热学工作机制；依据级配改良结构性模型路基的尺寸和热力学参数，采用有限元数值分析方法，建立有限元分析模型。在年增温率为0．04℃／a条件下，20a内级配改良结构性路基与地质体的温度场有利于冻土保护，路堤冻土上限抬升后的变化幅度与天然场地冻土上限的下降幅度一致，有利于减小不均匀的融沉变形，减少路基不均匀沉降开裂。研究结果表明，级配改良结构性路基具有良好的保护冻土的功能，是一种简单有效的路基结构形式。     

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。     

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。     

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.     

季节性冰冻地区公路路基冻胀融沉过程规律研究

为准确掌握路基结构温度场的分布特点和冻胀融沉过程的变化规律,以季节性冰冻地区典型道路结构路基温度场和变形量的跟踪观测数据为基础,开展了季节性冰冻地区路基温度场分布与冻胀融沉变形量,以及冻结深度三者的规律研究。研究显示:路基温度场分布特性以年为周期呈余弦规律变化,不同深度路基温度变化存在滞后性;根据路基冻结深度变化规律,可将冻结过程划分为四个阶段。在此基础上,基于观测数据,冻胀量和冻结深度分别与地表负积温呈显著正相关,可通过监测冻结深度的变化得到冻胀变形量,降低监测成本及实测难度。     

路基初始含水率对多年冻土路基水热特征及冻胀变形的影响研究

多年冻土路基水热特征与冻胀变形变化规律的研究对于寒区道路冻害成因分析、道路工程设计及冻害治理等方面具有重要意义。本文以青藏公路某典型冻害地段为研究对象,应用含相变冻土路基的水热耦合与冻胀变形理论模型,对周期边界条件下路基初始含水率对多年冻土路基水热特征及冻胀变形的影响规律进行了计算分析。结果表明：在季节性气候变化的条件下,随着路基初始含水量的增加,路基和坡脚位置的多年冻土上界面逐渐上升,路基边界处的冰含量逐渐增加。当路基初始含水率由12%增加到36%时,4月份的路基中心和路肩处冻胀变形量依次增加了17.4mm和20.6mm。此外,路基内初始含水率的变化对路基各边界表面位置冻胀变形的影响程度由大到小依次为路基路肩、路基中心、路基坡脚和天然地表。     

封闭系统条件下压实黄土的二维循环冻融变形特性及其评价

道路、渠道和土石坝等工程的冻融为二维冻融,为探索土在二维循环冻融作用下的变形规律和评价方法,以宁夏同心黄土为对象,压实度和饱和度为因素,试验研究了压实黄土在封闭系统条件下的二维循环冻融变形特征,变化规律,分析了因素的作用机理和显著性,提出了二维冻融变形评价方法。试验结果表明:封闭系统条件下,压实黄土的二维循环冻融变形以水结冰膨胀效应为主导,竖向表现为冻胀和融沉,水平表现为冻胀和融胀。水平和竖向冻胀变形的比值随冻融循环次数的增加而增大,最大比值约2倍。水平融胀明显地小于竖向融沉,二者的比值平均约0. 43。较一维封闭系统竖向冻融,二维冻融的竖向融沉变形占竖向冻胀变形的比例大,竖向冻融变形波动明显,且冻融体变率高。压实度和饱和度对压实黄土二维冻融变形的影响均非常显著,是主控因素。评价指标合理,能直接或间接表征冻融对土的几何、物理和力学性能的影响。研究结果对宁夏压实黄土岸坡工程的冻害评价与防治具有重要的现实意义,对土二维冻融效应的深入研究具有引导和促进作用。     

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.     

地基冻-融循环离心模型试验研究

在清华大学已完成的模型的模拟试验基础上 ,对地基经两个冻 -融循环进行离心模拟的重复试验 ,两个重复试验数据几乎一致表明该套寒区离心模型试验装置和测试系统是可行和可靠的 ;相同条件下有荷和无荷地基在冻 -融循环下重复试验显示 ,适当的荷载可抑制地基冻胀 ;自由冻胀量与实际相符 ;地基内温度变化情况和相应的冻胀融沉特征相同、数据相近 ,说明试验数据正确     

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 …     

热力交互作用下冻土路基融化沉降分析

基于大变形融化固结理论建立了多路基结构相互作用融化沉降数值模拟平台,并研究了公路和铁路路基不同相邻间距条件下的融化沉降规律.通过分析计算结果表明,过近的路基相邻间距会加速下覆冻土层的融化.随着相邻间距的增加,两种路基间热学场的影响将逐渐减弱.对于相邻间距较近的情况,路基变形场相对于路基中心的不对称性随时间持续增大.随着路基相邻间距的增大,变形场的不对称性发展逐渐减弱.根据本文的计算算例,当两种路基间距大于20m时,不同路基间的热学和力学场之间将不会产生显著的相互叠加影响.因此,建议在多年冻土区构筑物密集修建地区,构筑物间的安全修筑距离应大于20m.     

软土区管廊基坑柔性支护下基坑变形控制标准

软土区基坑工程中,控制基坑变形十分重要。本文对广州南沙柔性支护的管廊基坑进行有限元分析,得到了开挖过程中基坑的变形特征,开挖到基坑底部时,围护结构桩身变形由“悬臂式”变为“内凸型”,围护结构达到最大水平位移值31.92mm;地表沉降与坑底隆起最大值为22.26mm、54.81mm;稳定性计算结果为2.2,基坑变形及稳定性均满足规范要求。继而研究了6个不同基坑断面在临界失稳状态与稳定性满足规范这两种条件下,围护结构水平变形、地表沉降、坑底隆起的变形最大值占基坑开挖深度的百分比,建议将计算结果的平均值作为控制值的参考值。基坑临界失稳状态下,设计安全等级为二级、三级的基坑围护结构水平变形控制参考值分别为基坑深度的2.62%、3.24%。基坑稳定性满足规范要求时,设计安全等级为二级、三级的基坑围护结构水平变形控制参考值分别为基坑深度的0.8%、0.93%。     

软土路堤中土工格栅在填筑与地震作用下的受力特性

土工格栅在软土路基中已有广泛应用,与塑料排水板的配合使用可以加速软土路基的固结沉降。首先对软土路堤进行了静力加载填筑计算分析,分析加筋垫层土工格栅的受力特性和位移变形特性;其次对建成的软土路堤选择与场地类型相适应的地震波进行了地震动力响应分析,获得了土工格栅的受力特性及变形特性。结果表明,不等高反压平台的修建导致了后续土工格栅受力不均;但轴力值在容许值之内,地震响应下路堤主要以水平运动为主,土工格栅的运动及受力趋势可以为路堤整体性提供评价依据。     

Permafrost changes and engineering stability in Qinghai-Xizang Plateau

Climate change and engineering activities are the leading causes of permafrost temperature increase,active layer thickening,and ground-ice thaw,which trigger changes in the engineering stability of embankments.Based on the important research advances on permafrost changes and frozen soil engineering in Qinghai-Xizang Plateau,the changes in permafrost temperature and active layer thickness,their relationships with climate factors,the response process of engineering activities on permafrost,dynamic change of engineering stability of Qinghai-Xizang Railway,and the cooling mechanism and process of crushed-rock layers are discussed using the monitoring data of permafrost and embankment deformation.Finally,solutions to the key scientific problems of frozen soil engineering under climate change are proposed.     

多年冻土地区无基波纹管涵洞融沉分析

为分析波纹管涵洞融沉下的受力机理,利用大型有限元软件对多年冻土地区采用的金属波纹管涵洞和波纹管本身进行力学性能分析,通过分析可知,金属波纹管本身具有较大的横向补偿位移的能力,波纹管涵洞对预防和彻底解决涵洞因融沉而导致的破坏较为有效。     

长春地区粉质黏土融沉性质及影响因素试验研究

粉质黏土是一种对温度极其敏感的土,在季节性冻土区通常会产生较大的融沉变形,给道路、铁路等建构筑物造成严重破坏。长春地区土层以粉质黏土最为普遍,由于纬度、海拔、气候等原因,这里的粉质黏土融沉性与其它地区的有所不同,其影响因素的影响程度也有所不同。本文以长春地区粉质黏土为研究对象,通过对原状土样进行融沉压缩试验、冻胀试验和导热系数试验,分析了融沉系数与各因素之间的关系,提出了融沉系数经验公式,并采用灰色关联理论分析了各影响因素对融沉系数的影响程度。结果表明：①融沉系数随含水率、超塑含水率增大而增大,随干密度、烧失量增大而减小,其中可塑性影响最大;②融沉性与冻胀性呈显著正相关,冻胀率和冻胀压力越大,融沉系数越大;③粉质黏土融沉系数随深度的增大而增大,最大值出现在9～12m区间内;④长春地区粉质黏土的最优干密度为1.625g/cm_³;⑤根据灰色关联分析结果,长春地区粉质黏土各影响因素对融沉性的影响顺序由大到小依次为塑性指数、干密度、含水率、超塑含水率、导热系数、冻胀率和冻胀压力。在实际工程中可采取控制最优干密度或调整级配的方法来提高地基土或回填土的密实性,研究结果可为长春地区进行公路、铁路、地铁深基坑、建筑基础施工等提供科学依据与理论参考。