多年冻土区单桩竖向承载力在短期异常气候作用下的响应分析

由于全球气温升高,导致多年冻土逐渐退化,严重影响上部构筑物的稳定性。尤其在日渐复杂的气候环境下,极端天气、气候的频繁发生,使得多年冻土区的地基承载力的变化更加复杂。以多年冻土区某高温、高含冰量地段为例,考虑太阳辐射、冻土相变、大气对流、气候变暖等因素,通过数值方法计算分析了某单桩竖向承载力在短期异常气候作用下的响应。结果表明：短期异常变暖气候对桩基承载力有降低作用,主要体现在降低桩土界面冻结强度,对冻结面积的大小基本没有影响,气候变暖对冻结强度影响时间长而且不可消除;升温幅度越高,承载力降低越强;极寒极暖交替期间,桩基的承载力随着外界气温波动,寒暖期交替过后对桩基承载力基本没有影响。     

青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土旁压试验研究

为研究青藏铁路路基下高温-高含冰量冻土的力学性质,在青藏铁路北麓河试验段开展一系列旁压强度试验。试验研究表明：路基的增加引起路基下多年冻土温度升高,未冻水含量增加,最终导致冻土旁压临塑压力Pf下降31 %,旁压极限压力Pl下降44 %,旁压剪切模量Gm下降80 %。对于高温冻结黏土,富冰冻土和饱冰冻土Gm对温度变化的敏感性高于含土冰层;饱冰冻土的Pf和Pl对温度变化的敏感性高于富冰冻土和含土冰层。     

多年冻土区桩基竖向承载力的预报模型

通过多年冻土区大气温度与地温关系,得出季节冻结期和季节融化期地面温度,进一步确定季节冻结及季节融化深度。综合地面温度得出多年冻土厚度随时间变化的关系,将大气温度、地面温度、融冻层厚度及多年冻土厚度变化建立起与时间相关的联系方程。考虑大气温度变化分析桩土相互作用并建立桩土相互作用模型。综合联系方程、桩土分析模型及冻土地区建筑地基基础设计规范中的单桩竖向承载力公式,建立了联系大气温度、地面温度、季节融冻深度、多年冻土层厚度变化与桩基承载力的关系预报模型,为预测在设计使用年限内随着大气温度变化桩基的工作状况提供较为科学的依据。     

冻土区输电线路塔基选位的影响因素分析

青海西藏500kV直流联网输电线路工程跨越整个青藏高原,其生存环境不可避免与冻土有着紧密联系,冻土特有的冻胀、融沉特性给线路的勘测、设计、施工及后期运营带来了极大挑战。本文对取自青藏高原的原状和重塑冻土样样品进行了物理力学试验。结果表明:同种土在不同含冰量下,随含冰量的增大,则冻融特性敏感性增强;不同性质的土,在含冰量相同的情况下,颗粒越细,则冻融特性越敏感。同时,分析认为:塔基地质环境、不良冻土现象、不同地貌单元、冻土的热稳定性特征及施工作业便捷性等都是影响塔基稳定性的重要因素。     

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.     

冻土的力学性质及研究现状

中国具有广大的季节冻土和多年冻土区,在冻土地区进行工程建设,就必须深入研究冻土的力学特性,以确保冻土地基上工程建筑物的稳定性。本文首先,简要介绍了我国冻土的分布状况和冻土区别于融土的基本特性,广义的冻土力学可分为冻融作用和已冻土力学性质两方面,冻胀、融沉和冻融循环引起的土力学性质的变化属于冻融作用的范畴。对于冻胀的研究较为深入,人们先后提出了多个理论来解释冻胀产生的机制,有的应用于计算分析中。对融沉的研究尽管具有较长的历史,但是多数停留在经验方法上,融化固结理论目前还有较大的局限性,因此提出一方面可以用人工神经网络法提高经验方法的精度和适用范围,另一方面应当发展融化固结大变形理论;冻融循环可以改变土的力学性质,介绍了作者的最近研究进展。针对已冻土的力学特性,从3方面进行了分析。冻土的强度主要沿用融土的强度理论,很难反映高应力下的压融现象;冻土动力学特性主要针对温度对动力学参数的影响,近年来冻土层对场地动力响应的影响越来越受到重视;冻土的本构关系多集中在蠕变研究,以经验公式法为主。最后,分析了多年冻土地区工程变形所涉及的物理力学过程。     

略论我国西部高山高原区的冻土工程地质勘探问题

现有资料说明,我国西部高山高原区多年冻土的分布具有明显的垂直分带性,而其它各种地方性的地理-地质因素,对冻土的分布也有着重大的影响。我国西部高山高原地区多年冻土的分布情况相当复杂:多年冻土的分布下界是弯曲的;在一个很小的范围内,就可以遇到各种类型的冻土,其稳定性、冷生组构、含冰量和物理力学性质都有很大的差异;在不同的冻土区内,可以出现各种类型的融区,也可以出现种类繁多的冻土现象。有时,一沟之隔,冻土下界的高程可以相差几百米,並且,在几十米的范围内,冻土特征就有很大的变化,     

混凝土的入模温度和水化热对青藏直流输电线路冻土桩基温度特性的影响

施工过程中混凝土的入模温度和水化热对多年冻土区桩基施工期间的热稳定性具有重要影响. 针对该问题,利用有限元方法定量研究了±400 kV青藏直流输电线路冻土区锥柱基础入模温度、水化热和含冰量对桩基回冻过程、温度场变化和桩底融化深度的影响规律. 结果表明：水化热影响下,桩基中心温度在第3天达到最高,桩底滞后1 d,基坑表面受其影响较小,主要受环境温度影响;第24天,桩底出现最大融化层,随着入模温度增加,融化层厚度相应增加,入模温度为6℃时融化层厚度为34 cm,15℃时为55 cm;入模温度越高,回冻时间越长,当入模温度为6℃时,完全回冻需经历52 d,15℃时,回冻时间将增加7 d. 含冰量对桩底融化深度有影响,含冰量越大底部融化深度越小;冻土年平均地温是影响桩底融化深度的重要因素,少冰高温（-0.52℃）、低温（-1.5℃和-2.5℃）冻土条件下,最大融化层厚度分别为38 cm、34 cm和25 cm. 基于上述结果,在多年冻土地区的桩基工程,建议混凝土入模温度为6~8℃,底部碎石垫层至少40 cm.     

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程。因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义。现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表温度场变化对多年冻土的影响,主要集中于对气温和浅表层物理过程和参数化方案等改进和优化,而对于下边界条件设置对多年冻土热状况模拟的影响少有讨论。基于一维热传导冻土模型,以五道梁地区的多年冻土为研究对象,通过设置不同的下边界方案进行模拟实验,定量评估百年尺度气候变化下不同下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响。结果表明：近地表层（<3 m）的温度场完全由年际气候变化决定,浅层（3~15 m）及中层（15~30 m）的多年冻土温度场受下边界条件的影响逐渐显著,深层（>30 m）的地温对百年尺度气候变化的响应不仅与气候变化的幅度有关,还与多年冻土相变热的多少有直接的关系。下边界条件不恰当的设置方式会对大尺度的气候变化下多年冻土消融程度的计算造成较大的影响,进而可能对深层地温乃至多年冻土区面积变化造成严重的误判。因此,开展百年尺度多年冻土温度场变化模拟时,应采用深层或多年冻土底板以下融土层的稳定地热流作为下边界条件。     

高含冰量冻土动强度和残余应变的试验研究

冻土对温度敏感且性质易变, 而高含冰量冻土的性质更是极不稳定, 针对不同温度、 不同围压下50%的高含冰量重塑冻土进行了动三轴试验.结果表明: 动强度随着振次的增大线性减小, 和温度呈二次变化关系, 随着负温的增大而增大, 围压对动强度影响不大;残余轴应变随着振次的增大而增大, 呈幂函数的关系;随负温的增大而变小, 围压对残余应变影响也不大. 根据这些影响因素, 分别给出了高含冰量冻土的动强度和残余应变的计算公式, 这些结果可为该类土的动力特性研究提供参考.     

青藏铁路沿线多年冻土区地温场变化规律

青藏铁路通过约550km的多年冻土区,统计和分析青藏高原多年冻土分布区主要气象台站的资料可以看出,近30a来高原多年冻土区的气候变化总的趋势是向着气温升高的方向发展的,气温的变化对多年冻土热状态的扰动主要表现在地温场的变化上.30多年来高原气温升高0.45℃左右,并引起冻土地温平均升高了0.2～0.3℃.分析青藏铁路通过的多年冻土地区典型地段测温孔资料,发现多年来气候转暖已经使冻土上部(20m以上)地温明显升高,影响深度已经波及到了40m.     

边界条件对多年冻土路基热稳定性的影响分析

多年冻土区的年平均气温是影响冻土路基边界条件的重要因素. 在附面层原理的基础上,考虑采用带有相变的控制方程和数值方法,以相同尺度的路基模型为前提,选取不同的年平均气温为影响因素,对青藏工程走廊公路路基的人为冻土上限和年平均地温进行了研究. 结果表明：公路路基下年平均地温随着年平均气温的升高而升高,人为冻土上限随着年平均气温的升高而显著下降. 在年平均气温为-7.16 ℃时,路基修筑50 a后其年平均地温为-3.61 ℃,其人为冻土上限为-0.97 m;年平均气温为-3.21 ℃的条件下,路基修筑50 a后其年平均地温仅为-0.1 ℃,其人为冻土上限也降至-13.11 m. 因此,可以看出：在未来气候持续变暖的背景下,现有处于稳定状态的冻土路基将逐渐变得不稳定.     

青藏高原多年冻土热融灾害发展预测

青藏高原多年冻土区是世界上中低纬度多年冻土面积最大的区域,气候变化引起青藏高原多年冻土区年平均地温上升、地下冰融化、多年冻土退化等问题。借助ARCGIS技术手段,通过地下冰计算模型和Stefan公式计算研究区不同气候变化情景模式下的地下冰体积含冰量和活动层厚度变化。结果表明:在未来几十年内多年冻土的分布范围将不会发生显著变化,多年冻土的主要退化形式为地下冰的消融、低温冻土向高温冻土转化;但本世纪末多年冻土将发生大范围的退化。这一过程将引起热融滑塌、热融沉陷等冻土热融灾害。将Nelson热融灾害风险性评价模式进行修正,对研究区灾害风险性进行评估区划。最大的危险区主要分布在西昆仑山南麓、青南山原中部、冈底斯山和念青唐古拉山南麓、喜马拉雅山南麓部分区域,在未来几十年内有加剧的趋势。     

Thermal hazards zonation and permafrost change over the Qinghai–Tibet Plateau

The Qinghai–Tibet Plateau is the largest permafrost region at low latitude in the world. Climate warming may lead to permafrost temperature rise, ground ice thawing and permafrost degradation, thus inducing thermal hazards. In this paper, the ARCGIS method is used to calculate the changes of ground ice content and active layer thickness under different climate scenarios on the Qinghai–Tibet Plateau, in the coming decades, thus providing the basis for hazards zonation. The method proposed by Nelson in 2002 was used for hazards zonation after revision, which was based on the changes of active layer thickness and ground ice content. The study shows that permafrost exhibits different degrees of degradation in the different climate scenarios. The thawing of ground ice and the change from low-temperature to high-temperature permafrost were the main permafrost degradation modes. This process, accompanied with thinning permafrost, increases the active layer thickness and the northward movement of the permafrost southern boundary. By 2099, the permafrost area decreases by 46.2, 16.01 and 8.5% under scenarios A2, A1B and B1, respectively. The greatest danger zones are located mainly to the south of the West Kunlun Mountains, the middle of the Qingnan Valley, the southern piedmont of the Gangdise and Nyainqentanglha Mountains and some regions in the southern piedmont of the Himalayas. The Qinghai–Tibet Plateau permafrost region is in the low-risk category. Climate warming exacerbates the development of thermal hazards. In 2099, the permafrost region is mainly in the middle-risk category, and only a small portion is in the low-risk category.     

青海高原中、 东部多年冻土及寒区环境退化

近年来, 随着全球气候变暖和人类社会经济活动的增强, 处于季节冻土向片状连续多年冻土过渡区的青海高原中、 东部多年冻土退化显著. 巴颜喀拉山南坡清水河地区岛状冻土分布南界向北萎缩5 km; 清水河、 黄河沿、 星星海南岸、 黑河沿岸、 花石峡等岛状冻土和不连续多年冻土出现融化夹层和不衔接多年冻土, 有些地区冻土岛和深埋藏多年冻土消失, 多年冻土上限下降、 季节冻结深度变浅; 片状连续多年冻土地温升高、 冻土厚度减薄. 1991-2010年巴颜喀拉山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升90 m和100 m, 1995-2010年布青山南北坡不连续多年冻土分布下界分别上升80 m和50 m. 造成冻土退化的主要原因为气候变暖, 使得地表年均温度由负变正, 冻结期缩短, 融化期延长, 冻/融指数比缩小. 伴随着冻土退化, 高寒环境也显著退化, 地下水位下降, 植被覆盖度降低, 高寒沼泽湿地和河湖萎缩, 土地荒漠化和沙漠化造成了地表覆被条件改变.     

影响青藏铁路冻土区主要工程措施可靠性的气温变化指标分析

多年冻土是气候条件控制的特殊地质体,气温升高和降水条件变化将对青藏铁路沿线的多年冻土产生深刻影响.从全球气温变化背景和青藏高原气候变化的实际情况出发,分析和论述了气候变化对青藏铁路沿线多年冻土地温特征及冻土区工程建筑物的可靠性产生缓慢而持续影响的气温变化指标.通过对冻土区工程设计原则和工程结构、工程措施可靠性产生重大影响的气温变化特征的分析,提出对目前冻土工程可靠性的看法,并提出应对工程措施.     

风积沙环境下高等级公路冻土块石路基降温性能分析

青藏高原脆弱的生态系统以及人类工程活动,加剧了青藏工程走廊线性工程两侧沙漠化、荒漠化发展趋势,尤其冻土块石路基面临日益严重的风积沙灾害问题。以多年冻土区高等级公路块石路基为研究对象,采用数值模拟分析风积沙环境下封闭块石路基的降温性能和长期热稳定性。结果表明：风积沙堆积对封闭块石路基下部土层冻土温度的影响程度高于冻土上限,1.0 m湿沙工况降低冻土温度,0.2 m干沙则增大冻土温度。升温背景下,随年平均气温增加风沙堆积对路基冻土上限影响程度增强,干沙增大冻土融化深度,湿沙抬升冻土上限。随冻土含冰量减小,路基中心冻土上限对气候升温敏感性增加,风沙堆积影响减弱。气候升温和风沙堆积条件下,在年平均气温低于-5.5℃时,宽幅沥青路面封闭块石路基能够满足降温要求,使人为冻土上限保持在块石层内。研究成果可为风沙危害区多年冻土块石路基的病害治理和拟建青藏高速公路块石路基设计提供科学依据。     

气候变暖背景下青藏高原多年冻土层中地下冰作为水"源"的可能性探讨

多年冻土中含有大量地下冰,全球气候变暖势必导致多年冻土退化,地下冰融化,部分水分被释放并参与到区域水循环之中,改变了区域水文状况.冻土退化-释水的过程在监测上面临较大困难,无法提供直接让据,但其长期累计的效果在宏观水文过程中表现显著.为此,利用近年来青藏高原部分湖泊水位变化监测以及地区水文情势变化研究成果,探讨了在气候变暖背景下,多年冻土层中的地下侣冰作为一种潜在水"源"的可能性.结果表明:多年冻土退化较强烈地区,补给源头在多年冻土区的封闭湖泊水位上涨、地下水位上升,排除其它补给量增加的可能性后,多年冻土地下冰很可能是补给水量增加的原因之一.     

中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展

在2005-2007年期间,先后3次对中国-俄罗斯原油管道漠河-大庆段沿线的冻土工程地质条件等进行科学考察,开展了冻土工程地质条件及其在气候变化和人类活动作用下的评价和预测研究.考察研究结果表明:管道沿线多年冻土在各类融区、季节冻土和水系等分隔作用下呈片状或岛状分布,沿线岛状、稀疏岛状及零星岛状占多年冻土区段的40%左右;管道沿线多年冻土随着气候的转暖和人类活动的影响不断退化.地形地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化等局部因素对多年冻土的分布和地下冰的赋存产生重要的影响,管道沿线大约分布有50 km左右的沼泽湿地,其表层为腐殖质土及泥炭层,泥炭层下面分布着含土冰层或地下冰,是管道沿线最差的冻土工程地质地段;由于中俄原油管道沿线水系发育多,冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布.科学考察的成果为管道沿线冻土工程地质条件评价和预测、管道的稳定性影响分析以及后期的长期检测系统设置等研究奠定坚实的基础,进一步为即将开工的中俄原油管道漠河-大庆段工程的设计、施工提供科学依据.