寒区山岭公路隧道设计

以某寒区公路隧道为背景,介绍了隧道工程建设条件、总体设计、结构设计及计算、不良地质处理、防水保温等内容,从而为类似寒区隧道设计施工提供一定的依据和指导。     

考虑不均匀冻胀土体-衬砌隧道在寒区的振动响应

在频域内研究简谐均布荷载作用在寒区不均匀冻胀土体-衬砌隧道中的动力响应问题。将衬砌与冻土间视为紧密接触,冻土及非冻土间由于组构、性质间的差异可发生相对移动,在考虑覆盖于隧道周围冻结土体发生不均匀冻胀的前提下得到简谐荷载作用在衬砌内径所引发的系统振动解析解。根据非冻土、冻土以及衬砌间的连续条件和边界条件得到待定系数,并得到寒区隧道系统中不同介质的位移以及应力的解析解。对具体参数模型进行算例分析,发现：隧道系统的介质（衬砌,冻土及非冻土）参数变化会对冻土环向应力幅值、不同冻结状态土体径向位移幅值及其基频产生影响;不均匀冻胀会改变外荷载作用下隧道周围冻土中的动力响应;寒区隧道系统径向位移幅值随距离隧道圆心的增加呈现衰减的趋势,非冻土径向位移幅值较冻土减小明显。     

寒区破碎岩体隧道冻胀力室内对比试验研究

根据相似理论,以曲墙式、直墙式和圆形衬砌为例,通过模型试验方法研究了寒区破碎岩体隧道在不同约束条件和冻结深度下衬砌所受法向冻胀力(以下简称冻胀力)的量值和分布规律.结果表明:冻结深度越大,冻胀力越大;顶端约束越强,冻胀力越大.对于曲墙式和直墙式衬砌,顶端约束对拱部和仰供处冻胀力影响较大,对边墙处冻胀力影响较小;对于圆形衬砌,顶端约束对整个衬砌所受冻胀力影响程度相差不大;直墙式衬砌受冻胀力的量值最大,圆形衬砌受冻胀力量值最小.对于3种衬砌结构,最大冻胀力均发生在仰供脚处.试验数据与现场测试数据基本吻合,说明试验有较好的准确性.     

寒区有隔热层的圆形隧道温度场解析解

在多年冻土地区修建隧道,会影响到多年冻土的热稳定性,目前一般采用在隧道衬砌中设置隔热层的方法来防止冻土嗣岩融化.根据隧道现场实测的气温资料,考虑正弦曲线规律变化的对流换热边界条件,建立了一次衬砌、隔热层、二次衬砌及围岩4层结构的圆形隧道热传导方程.运用微分方程求解方法和贝塞尔特征函数的正交和展开定理,对4个热传导方程进行了求解,得到隧道一次衬砌、隔热层、二次衬砌及同岩4层结构温度场的解析解,将计算结果与现场实测结果进行比较,吻合良好.计算结果还表明,在衬砌中铺设厚5 cm、导热系数为0.03 W·m-1·℃-1的隔热层可以保证风火山隧道围岩不发生季节性融化.该解析解可用于验证其它数值方法的计算结果,也便于工程设计人员和施工人员对同类寒区隧道进行温度场的计算,因而具有一定的工程应用价值.     

寒区隧道围岩变形机理分析初探

隧道围岩冻胀变形机理是寒区隧道工程常见的问题之一。首先评述了国内外现有关于寒区隧道冻胀机理的几种解释,然后对采自西部某寒区岩样进行饱水冻结,通过CT扫描技术观察了岩体内部细观结构变化、水分迁移,发现了围岩冻结后发生收缩的现象,从细观角度研究了岩体的冻胀和收缩机理,完善和补充了围岩冻胀机理假说。     

寒区圆形截面隧道温度场的解析解

根据冻土地区的实际情况地圆形隧道正冻区和未冻区的热传导方程进行简化,应用无量纲量和摄动技术对简化方程进行求解,给出了圆形隧道冻结过程的近似解析解。通过和有限元数值解结果比较,发现该近似解具有较高的精度,能满足工程实际的精度要求,该解既可用于工程估算 用来检验数值计算的计算程序及结果。     

季节性寒区隧道温度场数值分析

为解决寒区隧道冻害问题,以祁连山某隧道为依托,采用ANSYS对铺设保温层与主动辅热相结合的隧道温度场进行了数值模拟,研究了保温层对隧道衬砌的保温效果以及安装电伴热系统后隧道的温度场分布规律,确定了电伴热系统的开启与关闭时间及正常运行功率。结果表明：围岩最大冻深月份比外界大气的最冷时间推迟一个月左右;在隧道大约运行5 a之后,保温层的保温效果开始衰退,围岩重新出现负温状态;安装电伴热系统能彻底解决寒区隧道运营期间的冻害问题,最佳发热功率为125 W·m^-2,持续加热时间为80 d,年消耗电能为10 000 W·d·m^-2,数值模拟结果与理论计算结果吻合良好。研究成果可为寒区隧道的保温防冻提供理论依据,并可为类似工程提供借鉴。     

择优选用防水材料

本文主要论述各类防水工程选甲防水材料的基本原则与要求，为设计人员推荐可供择优选甲的防水卷材、防水涂料、密封材料等产品，并对所列各类防水材料的特性和使用要求作了比较细致的分析。     

寒区隧道围岩最大冻结深度计算的半解析方法

寒区隧道围岩的最大冻结深度是隧道抗冻胀结构设计、防排水与保温隔热层设计的重要基础参数。基于准稳态假定,采用积分法推导了能够考虑衬砌、保温层及冻结围岩中未冻水含量的寒区隧道围岩最大冻结深度的解析计算公式;利用围岩温度场数值模拟结果反演得出了解析计算公式中的参数影响半径与冻结半径比 的取值,从而得到了围岩最大冻结深度的半解析解。将所得解的计算结果与现场实测数据及数值模拟结果进行了对比,验证了所得解的合理性。利用得到的半解析解分析了工程冻土段围岩冻结深度的影响因素,结果表明：初始地温、年平均气温对冻结深度的影响最为明显,岩体骨架导热系数、岩体孔隙率的影响次之。     

基于温度场时空分布特征的寒区隧道冻胀模型

寒区隧道冻胀力随时间和隧道进深呈三维时空分布,为建立描述冻胀力时空效应的简化模型,首先以某寒区隧道温度场测试成果为基础,建立了三维温度场模型,通过Stephen公式得到围岩冻结深度变化规律,以围岩冻结深度为参数,结合冻融圈整体冻胀模型和风化层冻胀模型建立了新的冻胀模型。分析结果表明：围岩冻结深度受温度场影响呈三维时空分布,随隧道进深逐渐减小,随时间呈弦函数变化;考虑风化层和破碎层建立冻胀模型,当冻结深度小于风化层厚度时,冻胀力只由风化层产生,冻结深度大于风化层厚度时,冻胀力由风化层和扰动层叠加产生;冻胀力时空分布规律与围岩冻结深度变化规律一致。     

寒冷地区热棒技术的研究与应用

由于热棒具有极强的单向导热性能, 被广泛用来冷却地基、强化冻土与大气间热交换, 解决基础冻胀、融沉等热力过程中工程问题. 从热棒在国内外冻土工程的综合应用、热棒传热影响因素以及热棒应用的工程设计参数, 评述和回顾了寒冷地区热棒技术的研究和应用, 并讨论了热棒技术综合应用的发展前景.工程实践表明, 热棒在寒冷地区具有广泛的工程应用前景, 不仅可以应用于寒区公路、铁路、 输油管线工程等大型线性工程, 而且也可应用于机场、房屋等工业与民用建筑, 同时还可以用于低温储藏库修建、机场跑道融雪等. 青藏铁路修建以来, 热棒在我国得到了最广泛的应用, 同时热棒与保温材料、块碎石护坡/护道等联合构成了新的综合结构措施.     

寒区对研究设计施工的影响——第14届寒区工程学术会议综述

由美国土木工程师协会(ASCE)组织召开的寒区工程学术会议是北美寒区岩土工程界最为重要的学术交流会议之一.近年来,参加该会议的北美以外的寒区科研技术人员日渐增多.第14届寒区工程会议于2009年9月在美国Minnesota州Duluth市成功举行.根据本次会议的论文主题,从冻结作用、路面工程、铁路及公路工程以及其它一些方面对会议展示的主要研究进展进行了总结.     

微生物对冻土生境的适应以及对全球变化和寒区工程扰动的响应:进展与展望

多年冻土这一极端的生境中,温度、营养物质、冻融过程等因素深刻影响和限制着冻土中微生物生理、代谢途径和生态结构.低温胁迫下,冻土中微生物从形态、生理和生化水平发展了特殊的耐受机制.冻融过程对细胞产生直接危害,并通过调节水盐、营养条件输送而间接地影响微生物活动.寒区工程扰动下垫面和周边一定范围内冻土的水、热、力学平衡,由此也改变了微生物赖以生存的微环境,破坏了地表植被和下伏冻土中微生物的联系.寒区油气管道泄漏后严重地污染土壤,并毒害和抑制冻土中微生物.冻土区微生物数量及生物多样性的波动与冻土的后生冷生作用以及生物地球化学循环密切相关.它们可能记录了冻土的发育、全球变化和生态环境变迁的重要信息.全球变暖背景下,冻土区微生物对有机碳和温室气体的束缚、吸收、运移和最终排放发挥着重要的作用,在全球碳氮循环和对气候系统的反馈中扮演重要角色.     

祁连山区大坂山隧道围岩的冻融状况分析

通过对严守地区隧道现场基本气象条件的分析,建立了隧道内空气与围岩对流换热及固体导热的综合模型;在隧道内空气以紊流为主的情况下,分析预报了祁连山区大坂山隧道开通运营后洞内温度及围岩冻结、融化状况,并与在隧道内空气以层流为主的情况下的已有结论进行比较。     

中国寒区湿地研究进展

中国是世界上湿地资源最丰富的国家之一,其中寒区湿地占我国自然湿地的60%以上,因此它在调节气候、涵养水分、碳源汇以及牛物多样性保护等方面均具有不可替代的作用.由于结构和功能上的独特性,寒区湿地对气候和环境变化反应极为敏感,因此深入探讨和分析其目前的研究状况对于中国湿地的生态保护和环境管理意义重大.从寒区湿地的类型和分布...     

冻土工程与环境研究的新进展——第八届国际冻土工程会议回顾

2009年10月在西安召开第八届国际冻土工程会议, 就冻土地区工程设计与建设、季节冻土区工程冻害防治、冻土物理力学特性、 模型发展及其应用、寒区气候、环境及冷生变化、多年冻土水文学、寒区水资源和土地应用等主要议题进行了广泛交流, 报告了近年来冻土工程与环境研究方面的一些新进展. 从冻土工程设计、施工和评价、普通冻土研究、冻土的物理力学性质、冻土模型发展及应用、 气候变化及冰冻圈环境等方面对该次会议交流的成果进行了总结. 与会研究者认为今后的研究一方面要加强理论研究、工程措施机理研究;另一方面要加强寒区环境对气候变化的响应及反馈、以及环境变化与冻土工程措施之间的相互作用研究.     

冻土通风路基温度场的三维非线性分析

应用有限元方法,对一通风路基的温度特性进行了三维数值分析.该路基在离天然地面1m铺有管径为0.4m的通风管,通风管之间的距离为2m,所在地区年平均气温为-3.5℃,年温较差24℃.数值分析表明,通风路基能使其下面的融化盘减小,最大融化深度减小,0℃等温上移.该现象说明通风路基有对冻土制冷的作用,能达到降低冻土路基温度,保证冻土路基稳定的目的.