BP神经网络在冻土路基变形预测中的应用

在青藏铁路冻土路基现场实测资料的基础上，用改进的BP神经网络建立起了路基变形与地温、路基高度和上限之间的非线性映射。对某一典型路基第30年的变形进行了预测，结果显示路基的累计融沉量在冻胀量的两倍以上。从绘制的路基变形过程曲线可以很清晰地看出路基一年中的变形趋势和冻胀融沉区间。在4月份以后，路基的变形由冻胀向融沉转变，变形与地温有很好的正比关系，但是当地温升高到一定值时，路基的融沉量便不再随着地温的升高而增大。路基的冻胀与地温的关系也有相似的规律，说明地温对路基变形的影响存在一个比较明显的区间，在这个区间范围内的温度对路基变形的影响较大，这为控制路基的病害提供了一个比较有价值的信息。     

低温影响下FBG永久变形计算方法研究

温度对光纤布拉格光栅（简称FBG）变形监测有着重要的影响,导致FBG技术在季冻土路基监测中存在很大的局限性。研究针对FBG传感器交叉敏感问题,提出了温度补偿计算方法,分析了不同荷载及负温下FBG监测梁变形规律;设计室内路基模型,验证了FBG在季冻土永久变形测试中的适用性。结果表明：FBG波长数值与温度呈线性相关,温度越低,波长越小,对变形监测结果影响越大;利用温度补偿计算对FBG监测梁波长数据进行修正,可消除低温引起的波长误差;基于室内模拟土箱变形测试,消除温度影响后FBG与拉线位移计实际测量的变形结果吻合度较好,体现出FBG监测梁基本可随土协同变形,可实现低温土中变形监测;冻融循环影响下,FBG测试结果与实际变形结果接近,误差在5%内,经历4、5次冻融循环后路基土箱永久变形基本趋于稳定。     

青藏铁路含融化夹层路基热力响应监测分析

基于青藏铁路沿线P32和P33监测断面连续10年的含融化夹层路基的地温和变形场地实测数据,分析了该两处监测断面左路肩下多年冻土人为上限、季节冻结最大深度、融化夹层厚度及多年冻土人为上限附近地温的年变化过程;同时分析了P32和P33监测断面左右路肩的总沉降年变化过程、P32监测断面左路肩地温场对变形的影响及P33监测断面左右路肩地温场差异对左右路肩差异沉降的影响。结果表明:P32和P33监测断面左路肩下多年冻土人为上限逐年下降、季节冻结最大深度基本不变、融化夹层厚度逐年增厚及多年冻土人为上限附近地温逐年升高;观测期内,P32和P33监测断面左右路肩变形均以沉降为主,且P32监测断面左右路肩的总沉降变形量均小于P33监测断面;其中P32监测断面左路肩暖季沉降变形明显,冷季发生轻微的冻胀变形,且发生沉降和冻胀的时间略滞后于路基下部温度场的变化;P33监测断面左右路肩地温场的差异导致左右路肩存在差异沉降,且其差异沉降值随时间逐年变大。     

青藏高原中部典型下垫面活动层水热动态及其热扩散率研究

多年冻土活动层, 尤其是浅层土壤的水热传输机制, 以及冻融过程的时空异质性是研究地-气间能水交换的关键。利用位于青藏高原中部的唐古拉和通天河两个活动层观测场2013年的土壤温度和水分数据, 比较了不同下垫面浅层土壤日冻融循环过程的差异, 以及不同冻融阶段的地温日变化及热扩散率特征。结果表明： 根据一日之内地温的正负波动, 浅层土壤的冻融过程可以划分为解冻期、 完全融化期、 始冻期和完全冻结期四个时期, 其中解冻期和始冻期统称为日冻融循环发生期。解冻期的持续天数和深度明显高于始冻期, 高寒草原的日冻融循环天数和发生深度明显高于高寒草甸。浅层土壤（0 ~ 20 cm）日地温变化普遍呈现明显的正弦波动趋势, 且不同冻融阶段的振幅差异较大, 由于相变的缘故, 解冻期的日地温变化振幅最小。高寒草甸的日地温振幅显著低于高寒草原, 说明日地温动态与土壤质地和土壤水分密切相关, 植被作为热绝缘层, 减弱了地温对气温波动的响应。地表下5 ~ 10 cm的热扩散率显著大于10 ~ 20 cm深度, 且5 - 10月融化季的热扩散率显著大于冻结季。热传导对流方程可以描述多年冻土区典型下垫面在季节冻融循环周期内不同月份的水分迁移方向。     

青藏铁路多年冻土区路基变形特征及其来源

基于青藏铁路多年冻土区34个路基监测断面2005－2011年的变形与地温资料,分析路基的变形特征及其来源。监测结果表明：①监测期累计变形量大于100 mm的断面均为普通路基,其变形主要来自路基下部因冻土上限下降而引起的高含冰量冻土的融沉变形以及融土的压密变形,其次为路基下部多年冻土因地温升高而产生的高温冻土的压缩变形。②监测期累计变形量小于100 mm的普通路基与块石结构路基断面,其变形主要来自路基下部多年冻土的压缩变形。③总体而言,块石结构路基变形量明显小于普通路基,从而验证了主动冷却措施的长期有效性。其研究结果可为冻土区路基稳定性判断及病害预警提供数据支持。     

青藏铁路沿线融区的特征及其变化趋势

基于青藏铁路多年冻土区工程长期监测系统所获取的地温与变形资料,对铁路沿线4处融区的特征及其变化趋势进行了分析。这4处融区分别为沱沱河北面洼地辐射-渗透融区（R1）、休冬曲北岸河流融区（R2）、扎加藏布河西岸河流融区（R3）与洼里希里唐盆辐射-渗透融区（R4）。结果表明：R1土体温度处于升温中,融区正在发展;R2土体温度较为稳定,位于融区边缘地带;R3土体升温趋势明显,融区处于快速发展之中;R4深部土体温度较为稳定,融区仍处于稳定状态。在R1、R3与R4,路基下未形成隔年冻土;但在R2融区,路基下有形成隔年冻土的可能。监测期内,路基累计沉降变形小于50 mm,满足铁路路基设计规范的要求。     

青藏工程走廊楚玛尔河高平原区路基边界温度特征

基于青藏高原楚玛尔河地区青藏公路里程K2968+200断面浅层地温监测数据（地表下5 cm）,拟合了边界温度的回归方程,分析了公路路基及铁路路基两侧表层温度的特征.同时对路基坡面温度和理论辐射值的相关性进行了分析.结果表明：边界温度回归方程拟合程度较高,可作为冻土路基数值模拟温度边界选取的参考依据;监测断面公路和铁路路基都表现出显著的阴阳坡差异,公路左右坡面冬季温度差异达11.49℃,年均值差4.77℃,冬季铁路路基左右坡脚温度差异达到5.34℃,年均值差3.33℃,天然地表与气温的差值为5.2℃;根据融化与冻结n系数,位于阳坡一侧的冻结n系数较低且融化n系数大,表现为吸热;阴坡一侧冻结n系数较大,整体呈现出放热效应;路基边坡太阳理论辐射与温度变化趋势基本一致.     

结构型式对寒区高铁路基冻结特征影响试验研究

哈尔滨至大连客运专线是我国在中-深季节冻土地区设计、建造和运营的第一条高速铁路,其独特的工程地质条件以及在低温环境下线路的苛刻要求引发的工程需求对寒区路基的稳定性问题提出了新的严峻挑战。通过在不同冻深区选择典型性路基断面,以用来监测路基的稳定性和冻结特征。并通过对运营后第1个冻融期内的监测数据分析发现,路基的结构型式对寒区高铁路基的冻结特征有着显著的差别性影响和制约作用。结果表明：对比路堑段的中部及其临近路堑进出口处的路堤段,路堤段存续有较长时间和较厚的冻结夹层,其堑-堤地温差值也随着纬度的增加而增加。同时发现在4月份的路基中存在有一定厚度的高温冻结夹层。而同一区域内,路堑的最大冻结深度要较路堤的冻结深度浅20～50 cm,但相反的是,路堑的最大变形却较路堤的要大2～5 mm,这种差值越向北越明显。同时在春融期内,路堑段的冻深变化速率在0上下剧烈波动,此时变形产生了突变式上升,而路堤段的冻深变化速率却在负值区内变化,变形并未发生明显的突变。     

季节性冻土地区客专路基现场试验

鉴于哈尔滨-大连（哈大）客专路基设计工后沉降不大于15mm的要求,开展了路基现场试验．对路基中的温度、沉降变形及冻胀力的变化情况进行观测．结论表啊：线路所处地区,10月下旬开始冻结,来年2月后地表附近地温过程线开始上抬;冻结层直到4月中旬才全部处于正温,最大冻深约为1．66m,应做好防治措施．经过观测,路基在经历冻融循...     

浸水环境下重载铁路改良土路基动力特性研究

浸水入渗与重载列车动载耦合作用下路基的动力响应程度更突出,对行车安全及路基长期稳定提出更严要求。为揭示重载列车动载作用下干燥与浸水路基的动力特性,依托浩吉（浩勒报吉－吉安）重载铁路工程背景,开展循环加载400万的现场激振试验,利用激振设备和配重块组合模拟了轴重25～30 t、速度120 km/h列车动载作用。试验结果表明：路基干燥与浸水状态下,动应力与加速度沿路基深度变化趋势吻合,传至基床底层底面衰减量可达80%;浸水入渗与列车动载的加剧作用更多体现在基床表层与底层的衔接处,相同荷载条件下,衔接处浸水路基的动应力最大可提高28%;相较而言,加速度受浸水环境影响的敏感性远低于动应力;对比可知,沿路基深度范围内动应力水平远小于同位置填料的临界动应力,试验结束路基面累积变形小于5 mm,且呈收敛趋势,说明无论从动强度还是动变形角度来评估,水泥掺量3%～5%改良膨胀土用作基床底层及以下路堤填料时均能满足稳定需求。该研究成果能够对重载铁路改良膨胀土路基的精细化建设养修提供理论参考。     

青藏铁路片石气冷路基工程试验研究

为确定青藏高原多年冻土区片石气冷路基修筑后温度场的变化过程,在青藏铁路清水河高温冻土细粒土段设计并开展了片石气冷路堤和普通路堤实体工程对比试验.基于两个测试断面的两个冻融循环的地温和变形监测资料,对比分析了片石气冷路堤与普通路堤的天然地面孔、左、右路肩孔的地温变化情况、温度场中最大融化深度的变化及路基的沉降变形情况.结果表明:片石气冷路堤体内地温寒季明显低于普通路堤段,利于积存冷量,其最大融化深度抬升幅度较大,该路基的沉降变形小于对比段.片石气冷路堤能够有效发挥降低地温、保护多年冻土的作用,是一种主动保护多年冻土的措施.     

温度-湿度-荷载综合作用下路基冻融过程试验研究

为了研究季节冻土路基内部温度场、水分场及应力场综合效应的变化特性,基于自主研发的温度-湿度-荷载综合模型试验测试系统,进行室内路基模型的冻结与融化循环试验,分析了冻融循环过程路基内部土体水、热及力学性能的变化特性.试验表明:冻结过程中,初期温度变化大,温度梯度从顶端向底部逐渐递减;路基顶冻结后,0℃冻结锋面不断往下移动,0℃分界线两段内温度梯度差异大;路基含水率分为冻结区未冻水含量似稳定段、过渡区未冻水快速相变段、未冻结区含水率减小段.融化过程中,温度变化先大后小,未冻结水含量与温度大小相关,路基内部含水量呈现中间增大,两端减小的情形.水热综合作用下,应力场表现:冻融过程中,路基回弹模量随着冻结深度的增大呈线性增加,随融化深度的增加而减小;路基回弹模量随冻融循环次数增加而衰减,当达到6次时,衰减趋于稳定.结果表明,土体水热耦合作用是影响路基土体力学性能的关键因素.     

冻融循环作用下路基土回弹模量试验研究

为研究季节冻土地区冻融循环作用对路基土回弹模量的影响,以2种路基土作为研究对象,通过风干和加湿的方法,使高50mm、直径为50mm无侧限圆柱体试件达到5种预期含水率;采用承载板法进行回弹模量试验,分析了路基土在0～12次冻融循环作用下,回弹模量随冻融循环次数变化的规律.结果表明:随着冻融循环次数的增加,土体的回弹模量减小,到第6次冻融循环后土体回弹模量衰减基本稳定.在进行季节冻土地区路面设计时,应考虑冻融循环作用对路基土的影响,建议选取第6次冻融循环后的土体回弹模量作为路基强度设计值.     

1977 - 2017年雅江流域中下游大气/地面冻融指数时空变化特征

冻结指数是某个地区冻结期长短和严寒程度的综合表征, 融化指数是某个地区融化期长短及正积温高低的综合度量, 冻融指数也是计算活动层厚度和季节冻结深度的关键参数, 并可用于多年冻土分布预报。利用雅鲁藏布江（雅江）流域中下游11个气象站点的逐日气温、 地面温度数据计算了1977 - 2017年大气及地面冻融指数, 并分析其时空变化趋势。结果表明： 雅江流域中下游近40年来冻结指数呈显著下降趋势, 大气冻结指数、 地面冻结指数、 大气融化指数、 地面融化指数多年变化范围分别为208.4 ~ 508.0、 136.9 ~ 371.0、 2 171.8 ~ 2 499.8、 3 350.2 ~ 4 315.2 ℃·d; 其气候倾斜率分别为-36.6、 -48.7、 90.7、 115.8 ℃·d·（10a）^-1。雅江流域大气和地面冻结指数以海拔4 488.8 m的嘉黎最大, 海拔2 991.9 m的林芝最小; 大气和地面融化指数则以海拔3 560 m的泽当最大, 海拔4 488.8 m的嘉黎最小。流域内大气负温日数变化规律与地面负温日数变化趋势基本一致, 其气候倾向率分别是-6.28 d·（10a）^-1和-5.57 d·（10a）^-1。研究结果可为雅江流域冻土预报, 冻融作用所形成的冰缘地貌研究及其引发的地质灾害如冻融滑塌、 冻融泥流等灾害的监测与预防提供借鉴。     

不同成桩工艺条件下冻结粉土中基桩承载性状试验研究

桩基础作为冻土工程中最适宜的基础形式,主要采用插入桩、静压桩和灌注桩三种桩型,因其成桩工艺不同对冻土地基及桩基自身造成的差异不一。为研究不同成桩工艺对冻土地基及基桩承载性状的影响,通过开展室内-1.5 ℃条件下单桩静载模型试验,分析在冻结粉土中不同成桩工艺对地温场、桩基极限承载力、桩身轴力以及桩侧摩阻（冻结力）的影响规律。试验结果表明：灌注桩对桩周地温场扰动剧烈,桩侧温度较高,地温变化幅度大。随着桩周土体的回冻,地温逐步降低,其中灌注桩桩侧降温速率最大;在承载力方面,2根灌注桩的极限承载力约为12.8 kN,静压桩为11.6 kN,插入桩极限承载力最小,仅为钻孔灌注桩的2/3。并对比4种不同成桩工艺的基桩在不同荷载条件下对应的沉降量,体现出成桩工艺对基桩沉降造成的差异性;随着桩顶荷载的逐级增加,桩侧摩阻（冻结力）和桩端阻力逐渐发挥作用,桩身上部1/3由于温度较低,致使桩侧摩阻（冻结力）较大,在10 cm深度附近温度最低,使桩侧摩阻（冻结力）达到最大值;并对比4种不同成桩工艺的基桩在荷载5.6 kN下轴力沿桩身的传递情况,发现静压桩更易把荷载传递到冻土区深层地基。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

季节冻土区正融粉质黏土强度影响因素敏感性分析

针对季节冻土区路基填土春融时常处于强度不稳定的状态, 根据季节冻土特性选取冻结温度、 融化温度、 围压、 含水率4种影响因素, 对张家口季节冻土区粉质黏土进行了模拟正融土的常规三轴试验, 采用灰色关联分析法对试验结果进行分析, 给出了4种影响因素对强度的敏感性排序。结果表明： 含水率、 融化温度、 冻结温度的敏感性超过60%, 需要重点考虑。9%含水率时, 土样强度较高, 发生脆性破坏, 随着含水率的增大, 向延性破坏转变; 融化温度主要影响土体剪切过程中融化速度和排水固结的速度, 温度越低, 土样强度越高; 冻结温度通过改变土颗粒和冰晶体的胶结程度来影响强度, 冻结温度越低, 胶结作用越强, 但低于-10 ℃后, 强度增长缓慢; 围压越大, 土体强度越大, 不同围压影响下, 应力-应变曲线的形状和走势却大致相同, 分析结果可为季节冻土区实际工程提供一定的参考。     

冻融作用对地气系统能量交换的影响分析

通过对温度波在地层内传播过程问题的分析研究, 讨论土在冻结和融化过程对地气系统能量交换的影响, 并以亚粘土为例应用近似方法计算了在冻结和融化过程地气系统能量交换和地温变化特征, 同时将相同条件下发生冻融作用与不发生冻融作用情况地气系统热交换量进行了比较. 结果表明, 冻融作用使地气系统热交换加强, 同时吸热和放热的过程也发生了改变.     

不同荷载条件下冻土融化沉降过程试验研究

融沉是困扰多年冻土区工程建设与安全运营的关键因素之一。通过室内试验,针对两种初始干密度不同的青藏粉质黏土,在-8~24 ℃之间正弦波动的周期温度边界条件下,分别开展了无荷载、静荷载及动荷载作用下冻结饱和试样的融沉试验（试样的初始温度为-1 ℃）,研究了试样内部温度、变形、孔隙水压力的时间变化过程。结果表明：温度边界相同时,在不同荷载作用下试样内部温度响应过程差异显著,反映了荷载对冻土融化速率的影响。在无荷载作用下,试样的竖向变形呈线性发展趋势,每次冻融过程中的融沉变形变化不大。在静荷载和动荷载作用下,试样的竖向变形呈先快速增加后逐渐稳定的趋势,且融化沉降变形主要发生在前3~4个冻融循环过程。试验结束时,在静、动荷载作用下试样最终变形量大于无荷载作用下,且干密度较小时竖向变形较大。在动荷载作用下,试样内部孔隙水压力变化幅度大于静荷载,且在前3次冻融循环过程中,动荷载作用下试样内部孔隙水压力消散数值大于静荷载,之后随着冻融循环次数的增加两者差异逐渐减小。试样融沉变形过程与温度变化、孔隙水压力的积累和消散过程密切相关。试验结果可为复杂边界条件下融化固结理论研究和工程中地基土体的融沉变形预测提供依据。