多年冻土区路基分层变形现场观测研究

在人类工程活动和气候变暖的双重作用下,多年冻土区的道路路基普遍产生以路基下沉为主的病害．多年冻土地区的路基沉降涉及多个物理力学过程：未冻土的蠕变,冻土上限下降所产生的融沉,由于多年冻土层升温而产生的高温冻土的蠕变,以及活动层中冻融循环改变了土的工程性质而导致的附加沉降变形．为了进一步探索各个物理力学过程对总沉降量贡献,...     

深上限-退化型多年冻土路基变形特征分析

为了研究深上限-退化型多年冻土路基变形特点,基于青藏公路多年冻土路基地温和沉降现场监测资料,通过分析西大滩、唐古拉山北坡以及唐古拉山南坡路段的土质、冻土含冰量、冻土地温以及路基沉降变形数据,对冻土上限变化过程与路基沉降特点进行了研究,同时对沱沱河和清水河地区冻土路基分层沉降观测结果进行了分析。结果表明,土质和含冰量对退化型冻土路基的沉降变形影响较大,深冻土层的融化对路基沉降变形影响较小,退化型冻土路基的沉降变形主要发生在退化后的冻土层中,退化冻土层在冻融循环过程中,需要较长时间才能完成固结。对于冻土含冰量为少冰、多冰的稳定路段,退化冻土路基年平均沉降速度约为3.9～5.6 mm/a,路基沉降量极小;对于含冰量较高且土质以粉黏性颗粒为主的不稳定路段,路基沉降速度具有持续性和无减缓性的特点,路基年平均沉降量达到0.03 m/a,路基变形表现为整体均匀沉降,横向差异沉降量较小。     

青藏铁路冻土路基变形监测与分析

基于现场监测资料,对作为青藏铁路中的主要保护冻土的几种路基形式（如：通风管路基、块石路基、块石护坡路基、保温材料路基和普通素土路基）进行了变形和温度分析,发现所有路基的变形均以沉降变形为主,且其变形与其下伏冻土的地温场变化密切相关。经过2～3个冻融周期后,通风管路基、块石路基、块石护坡路基和保温材料路基的变形已趋于稳定,而无任何措施的普通路基目前变形仍未稳定。另外,各种路基左右路肩均存在变形差。基于以上分析可得到一个启示：在高温、高含冰量冻土地区,由于路基下多年冻土温度升高产生的高温冻土压缩变形而引起的路基沉降变形具有相当大的量级,很有可能成为冻土路基发生破坏的一个重要原因,工程实践中应给予足够的重视。     

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。     

东北多年冻土地区地基承载力对气候变化敏感性分析

近年来,中国东北多年冻土地区正处于显著的增温过程中。由此导致多年冻土逐渐退化,并严重影响到构筑物的稳定性。以0.05 ℃的年平均气温上升率为背景,采用带有相变的传热学有限元方法,对中国东北多年冻土地区不同初始气温条件和不同含冰量类型冻土的地基温度状况以及季节活动层厚度变化进行了模拟;利用温度场有限元数值试验结果和已有承载力试验数据分析了不同类型冻土地基的力学性质对气温变化敏感性,评估了气温变化对各类冻土地基承载力的影响。气候变化对多年冻土地区构筑物稳定性影响程度取决于两个环节：其一,冻土地基温度状况对气候变化的响应;其二,冻土地基力学性质对地基温度变化的敏感性。研究结果表明,冻土地基含冰量和温度状态对其承载力随气温变化的敏感性具有显著的影响。含土冰层地基承载力对气温变化最为敏感,气温变化对高温冻土地区浅层地基承载力以及桩-土冻结强度影响较大;而深基础桩端冻土地基承载力受气候变化影响相对较小。     

冻土蠕变的渐进屈服准则

基于冻土蠕变的现象分析表明，冻土蠕变的破坏是由于冻土中非弹性变形积累的结果，在冻土的任何变形阶段都存在着非弹性变形。非弹性变形的积累在一定条件下导致了冻土渐进屈服的出现，渐进屈服反过来又促进了冻土蠕变的进一步增加。     

青藏高原多年冻土区钻孔灌注桩承载特性试验研究

通过对青藏高原风火山地区的桥梁钻孔灌注桩进行现场静载试验, 研究了厚层地下冰地区高温不稳定冻土地段桥梁钻孔灌注桩的基桩承载力和变形特性, 结果表明: 厚层地下冰地区冻土如果受到扰动, 其恢复过程非常缓慢;钻孔灌注桩的桩端阻力对整个桩基的承载力贡献较小, 基桩周围土体的剪切变形大部分为塑性变形, 沉降特性呈现出较为典型的摩擦桩特征;基桩轴力的荷载传递特性和桩侧阻力的发挥与桩顶所加荷载大小、桩周冻土的性质以及地温密切相关.     

宽幅沥青路面热效应对其下部土体热状态的影响

在多年冻土区,道路工程建设会引起下伏冻土吸热融化,进而威胁上部工程稳定性,这一冻土问题是多年冻土区工程建设面对的重要问题.对于青藏高速公路而言,由于铺设高吸热性的沥青路面和路基幅面增宽引起的尺度效应,路基吸热量较普通路基将大幅增加,使得其冻土问题更为突出.基于此,利用数值仿真手段,考虑全球气候变暖背景,对宽幅路基修建完成后20 a的热状况进行预测研究和比较分析,阐明了宽幅面沥青路面热效应对下部土体热状态的影响及其与路基边坡水平热效应的综合贡献,比较分析了全幅修建和分幅修建条件下下伏冻土热状态的异同. 研究成果将为多年冻土区高速公路的路基稳定性研究和建设模式等提供基础理论指导.     

高温冻土的蠕变特性试验及蠕变模型研究

为了研究高温冻土蠕变变形特征以及各影响因素对蠕变的作用， 分别在含水量15%、 25%及35%， 荷载100 kPa、 200 kPa及300 kPa， 温度-1.5 ℃、 -0.7 ℃及-0.3 ℃的条件下开展了室内单轴蠕变试验， 分析在无侧限条件下高温冻土在不同温度、 荷载及含冰量条件下的蠕变变形特性。结果表明： 在当前试验条件下， 冻土蠕变变形非常可观， 且蠕变曲线都没有出现渐进流阶段； 温度是影响冻土蠕变的最重要的外在因素， 而含冰量是影响冻土蠕变的关键内在因素； 在高含冰量条件下温度及荷载的改变对蠕变速率的影响非常显著， 甚至引起量级上的差别。在现有试验条件下， 高温冻土蠕变过程可利用Burgers黏弹性模型来较好地描述。     

多年冻土区斜坡稳定性研究综述

全球变暖、极端天气频发,引发的地质灾害对自然生态环境和人类生产生活造成了很大的影响。尤其对气候变化较为敏感的高温（年平均地温>-1 °C）和高含冰量多年冻土区,气候变暖以及人类活动导致的冻融地质灾害日益频繁。冻土退化条件下,土体结构和物理力学性质发生改变,黏聚力和抗剪强度降低,造成多年冻土区斜坡发生滑坡、崩塌、泥流等灾害。斜坡失稳加剧了多年冻土区脆弱生态环境的恶化,同时对建（构）筑物安全运营产生威胁。与非冻土区相比,多年冻土区斜坡稳定性研究主要针对高含冰量斜坡段,斜坡失稳模式主要以热融滑塌和活动层滑脱为主。热融滑塌由斜坡段地下冰暴露融化引起,而活动层滑脱产生的原因是冻土融化导致土体孔隙水压力过大,形成的超孔隙水压力降低了土体强度,造成斜坡失稳。此外,多年冻土区斜坡失稳模式还包括融冻泥流、崩塌以及蠕变滑坡等。通过综述近期多年冻土区斜坡稳定性研究进展,概括了多年冻土区斜坡失稳的模式、特征、影响因素、失稳机理、分析方法及防治措施等,并对未来多年冻土区斜坡失稳的研究重点提出建议。     

Permafrost warming under the earthen roadbed of the Qinghai–Tibet Railway

This paper investigates the stability of the earthen roadbed built in the warm and ice-rich permafrost region. The varying thermal regime of the subgrade and the ongoing settlement of the roadbed were observed at field. The temperature data demonstrate that in warm and ice-rich permafrost regions, adoption of earthen roadbed results in warming of the underlying permafrost. It is primarily because the earthen roadbed traps the warm-season absorbed heat in the natural ground. In addition, the carried heat of the earthen roadbed that was constructed in warm season propagates downward to warm the underlying soil. The warming permafrost layer promotes the roadbed settlement, which was mostly linearly developed in the past five service years. A comprehensive analysis for the varying thermal regime and the ongoing settlement shows that the unfrozen water liberated from the warming, undrained layer experiences consolidation. The deformation of the undrained soils is mainly responsible for settlement of the roadbed. In comparison, the temperature variation of this warming permafrost layer is found to be less beneath roadbeds protected by thermosyphons or crushed rock revetments. The installation of thermosyphons into the earthen roadbed is recommended to prevent the further degradation of the underlying permafrost.     

Study on the Reasonable Height of Embankment in Qinghai–Tibet Highway

A reasonable height of embankment is beneficial for maintaining the thermal and mechanical stability of highway in cold regions. This paper firstly introduced theoretical models for two main sources of settlement, including an improved consolidation theory for thawing permafrost and a simple rheological element based creep model for warm frozen soils. A modified numerical method for living calculating thaw consolidation and creep in corresponding domains and for post-processing the proportion of each source in total settlement based on the effective thaw consolidation time. Two typical geological sections underlain by warm permafrost layer were selected from the Qinghai–Tibet highway. The heat transfer and continuing settlement for two sections were modeled by assuming that the height of embankment ranges from 0 to 6.0 m. The reasonable critical height for two sections are 1.63 and 1.35 m, respectively, by comparing maximum thawing depth, mean annual temperature and settlement in the roadbed center. For two sections with design height of embankment, the proportions of thaw consolidation and creep to the total settlement were analyzed. For sections at higher ground temperature, thaw consolidation accounts for a major part while thaw consolidation of section L is a little larger than that of creep.     

风沙堆积对下伏多年冻土影响的数值模拟

青藏高原沙漠化所产生的风沙堆积作为一种重要局地因素,其对下伏多年冻土的具体影响目前尚未清楚。通过数值方式,模拟了红梁河沙害严重地区高温退化型多年冻土在13种厚度的干湿风积沙覆盖下10年内的变化情况。结果表明：在土体浅层,沙层越厚,地温较差越小,且干沙下地温较差变化幅度明显大于湿沙;干沙越厚,最大季节融深越小,湿沙则对最大季节融深影响微弱;积沙无论干湿,沙层越厚,冷暖季年热循环量均越小,且干沙下年热循环量变化幅度明显大于湿沙。因此,风积沙对其下伏多年冻土退化有不同程度减缓,沙层越厚,减缓作用越强,且干沙减缓多年冻土退化的能力明显强于湿沙。     

青藏铁路冻土路基沉降变形现场试验研究

Based on the field data of ground temperature and roadway settlement observed during the construction of the experimental embankments over permafrost along the Qinghai-Tibetan Railway, this paper discusses the differences of frost process on the roadway surface from that on the natural ground surface, the changes of permafrost table under the roadway embankment, and the peculiarities of roadway settlement. Analyses of the test results show : 1) The differences of the freezing indexes between the roadway surfaces and the natural ground surfaces are less than those of the thawing indexes for all the test sections; 2) Since the measures of permafrost protection were taken, the permafrost tables under the embankments have raised after the roadway was constructed. The minimum is about 0.4 m and the maximum is 1.2 m; 3) the settlements of the roadway are mainly from the compression and creep of the icerich frozen soils under the original permafrost tables and the maximum has reached 6 ～ 8 cm during the first year after the embankments were constructed. Moreover, concerning the processes of roadway settlement, the deformation of the embankments has no obvious trend of attenuation at present. Especially,for the roadway with high embankments, the settlement may reach a remarkable value and much consideration must be given for this problem.     

气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响

受气温变化影响,浅层冻土滑坡失稳涉及水分的固液相态转换,是一个复杂的水热力耦合过程。为揭示气温变化对多年冻土斜坡稳定性的影响,基于冻土水热力耦合数值模型,模拟了2020—2024年青海省多年冻土区斜坡水热力演化过程。研究结果表明:水分迁移速率呈周期性变化,每年5—10月活动层融化程度高,总体积含水率变化趋势显著;夏季多年冻土上限以下的高含冰量土层融化产生厚度约15 cm的富水层,孔隙水压难以消散;4年间多年冻土上限下移10.4 cm,导致活动层和富水层的厚度增大,上覆融土下滑力增大、抗滑力减小,土体抗剪强度进一步下降;活动层土体每年产生数厘米冻胀融沉变形,抗剪强度不断劣化,坡脚处最容易形成薄弱带。     

黄河源区植被对活动层温度和水分的影响

植被和活动层水热关系是青藏高原冻土生态环境的重要组成部分,对气候变化和工程活动积极响应,是目前全球变化研究的热点之一.为了解植被差异对活动层水热过程的影响,以场地监测和植被调查数据为基础,分析了黄河源区高温高海拔多年冻土区同一地貌单元内局地条件相似而植被差异显著的3个场地活动层温度和水分变化.初步结果表明:植被盖度较低时,活动层水分含量也低,且含水量高值区趋于中下部;植被盖度较高时,冷季地气温差和温度位移都减小,暖季地气温差增大;随着植被盖度增大,冻融开始和结束时间明显滞后,冻融持续时间延长.初步揭示了黄河源区地表植被对活动层水分和温度的影响过程,对研究和保护高寒生态环境稳定具有重要意义.      

青藏铁路普通路基下部冻土变化分析

高温高含冰量冻土地区,青藏铁路采取了冷却路基、降低多年冻土温度的工程措施.然而青藏铁路仍有大量路段未采用任何工程措施,因此修筑普通路基后冻土变化也是普遍关心的问题.根据青藏铁路普通路基下部土体温度监测的近期结果,分析了季节冻土区、已退化多年冻土区和多年冻土区路基下部冻土变化特征.结果表明,不同区域修筑普通路基,其下部土体温度、最大季节冻结深度、多年冻土上限等存在较大的差异.在季节冻土和已退化多年冻土区,右路肩下部(阴坡)已形成冻土隔年层;在多年冻土强烈退化区,其路基下部形成融化夹层;在高温多年冻土区,其路基下部上限存在抬升和下降,上限附近土体温度有升高的趋势.在低温多年冻土区,其路基下部上限全部抬升,上限附近土体存在"冷量"积累,有利于路基下部多年冻土热稳定性.因此,低温多年冻土区修筑普通路基后,冻土变化基本是向着有利于路基稳定性的方向发展,在其它地段修筑普通路基,冻土变化是向着不利于路基稳定性的方向发展的.特别是阴阳坡太阳辐射差异,导致了土体热状态和多年冻土上限形态产生较大的差异,这种差异将会对路基稳定性产生一定的影响.