热管措施下锥柱式桩基础传热过程及降温效果预测研究

针对青藏直流联网工程塔基热稳定性问题,建立空气-热管-土体耦合传热数学模型,并利用该模型开展锥柱式基础传热过程及热管冷却降温效果的模拟预测研究. 结果表明：冷季热管工作期间,其周围地温梯度明显较大且呈“纺锤形”分布. 同时,由于锥柱式基础及其底座为热的良导体,热管产生的冷量通过锥柱式基础及其底座快速向基础底部传递,使得基础下部形成大范围低温冻土,这对主要考虑融沉病害的锥柱式基础而言十分有利. 暖季热管停止工作期间,浅层地温主要受环境温度影响,锥柱式基础附近融化深度大于天然地表下,二者差值约35 cm. 通过热管剖面及无热管作用中间剖面地温对比,发现单一塔腿在4根热管措施作用下,锥柱式基础周围多年冻土地温分布较为均匀,可避免冻土地基的显著不均匀沉降变形. 热管周围土体快速降温过程主要集中在前5 a,之后受气候变暖影响桩基础及天然地表以下上限深度不断增加,多年冻土地温缓慢升高. 50 a气温升高2.6 ℃背景下,锥柱式基础下部多年冻土仍保持冻结状态,能够满足青藏直流联网工程对于冻土地基热稳定性要求.     

L型挡墙冻土融化深度变化趋势测试及分析

在多年冻土地区,土工结构稳定的核心是结构自身的热稳定性。在多年冻土区修建挡土建筑物,改变了原地面的热平衡条件,从而引起了多年冻土上限及其上部季节融化层的变化,有可能影响到工程结构的稳定性。因此,研究某一特定结构物的冻土上限或温度场分布及随季节的变化趋势是有意义的。结合青藏铁路格拉段目前唯一的支挡结构--L型挡墙这一工程措施,对L型支挡结构整个横断面进行了地温测试,分析了最具典型意义墙后回填土的上限或最大融化深度变化情况,得到了不同断面地层融化深度分布形状,回归了随季节变化相应的温度场。测试表明,由于开挖和施工扰动破坏了土体热平衡的自然状态,但L型挡土结构作为一种开敞式工程结构,地温场、冻土上限或融化深度都存在周期性变化,只要没有新的扰动,能够逐渐形成稳定状态或这一平衡是能够恢复的。此外,冻胀和冻结影响也不能忽略。总之,分析研究L型支挡结构的设计思想和工程措施,可为今后类似工程应用提供参考依据     

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.     

高纬度低海拔岛状多年冻土桩基回冻前后承载力的试验研究

冻土与普通的土体相比具有独特的工程性质。在冻土地区进行桩基础施工后,桩和周围土体在冻土地温及大气温度的作用下逐渐回冻,回冻过程中在冰的胶结作用下桩与周围土体联结成整体共同承受外荷载作用。为了研究回冻前后桩基的承载力变化及变形性质,在大兴安岭地区浇筑了2根15 m试验桩,试验桩中布设了温度监测系统,采集了桩基回冻过程中的温度数据。根据温度监测结果在桩基回冻前后进行了自平衡静载试验,研究了回冻前后桩基承载力、各土（岩）层的侧摩阻力及桩端阻力。研究结果表明,桩基回冻后冻土地温保持在-1.9 ℃桩基的承载力是回冻前承载力的1.42倍;端阻力是回冻前的1.49倍为964 kN,占桩基承载力的12.98%;各土（岩）层的侧摩阻力均有所增长,平均增长率为40.3%。研究结果可为类似冻土条件下的桩基设计及施工提供理论依据。     

多年冻土区钻孔灌注桩基础早期热稳定性研究现状与展望

多年冻土区钻孔灌注桩基础施工带来的热扰动削弱了桩基础的早期热稳定性， 降低了桩基承载力。通过早期热稳定性影响因素、 热稳定性对承载力的影响及其改善措施三个方面对钻孔灌注桩基础早期热稳定性的研究现状进行归纳总结。研究表明： 首先， 多年冻土区钻孔灌注桩基础具有热扰动范围大、 回冻时间长的特点， 其中水化热及胶凝材料、 入模温度、 成孔方式作为主动影响因素是热扰动的主要来源， 桩基特征及冻土工程地质条件作为间接因素也对早期热稳定性产生次要影响； 其次， 钻孔灌注桩热扰动显著降低了桩基早期的承载力， 延缓了上部结构施工时间； 在削弱桩基早期热扰动方面， 人工制冷、 热管等措施具有良好的加速回冻效果。基于桩基承载力与冻土地温的密切关系， 未来还需进一步定量评估冲击钻成孔施工方式、 灌注桩施工季节、 群桩设计参数对桩基早期热扰动的影响， 深入认识早期热扰动作用下桩基承载力的变化规律、 设计荷载与冻土蠕变的关系及其对工期的影响， 并研发施工更加便利、 效果更加显著、 适用范围更广的低水化热胶凝材料和钻孔灌注桩控温措施， 有效提高钻孔灌注桩早期的承载力。     

工程活动下多年冻土热稳定性评价模型

提出了用季节融化层底板到潜在季节冻结深度区间沉积物融化所需要的热量与季节冻结层底板温度升高至0 ℃所需要的热量之和(Qt), 与夏半年土体吸收的热量(Q+)的比值来描述冻土热稳定性(ST=Qt/ Q+). 根据青藏公路沿线地温温度场的监测资料,对多年冻土热稳定性模型进行了计算,并分析了多年冻土热稳定性与年平均地温、多年冻土顶板温度和季节融化深度间的关系. 根据人类工程活动对多年冻土影响,将多年冻土热稳定性分为4类:热稳定型、热稳定过渡型、热不稳定型和热极不稳定型多年冻土.     

东北地区地温和冻结深度时空特征的细化分析

根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明：东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年平均地温呈向北2个纬度降低1 ℃左右,年平均最大冻结深度为向北2~3个纬度加深30 cm左右,极端最大冻结深度为向北2个纬度加深30 cm左右。地温和冻结深度与纬度关系显著,与经度和海拔也有一定相关性,但在东北北部的多年冻土区基本不受后两者影响。不同深度的地温季节特征不同,地表温度季节特征与气温一致,160 cm以下深度四季温度从高到低为秋、夏、冬、春。地表夏季与冬季温差达到33.5 ℃,而320 cm深处最热季与最冷季的温差仅为7 ℃。气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短,尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对于下层土壤,地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16 ℃?（10a）^-1,40~320 cm土层升温趋势为0.60 ℃?（10a）^-1左右,冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到 23 cm?（10a）^-1、8 d?（10a）^-1,大幅升温不利于多年冻土的存在。     

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。     

非贯穿型热喀斯特湖下部及其周围多年冻土特征

基于对青藏高原北麓河盆地天然形成的湖塘下部及其周围地温的监测分析, 结果表明该湖塘为非贯穿型热喀斯特湖. 湖塘下部多年冻土上限变化较大, 湖岸过渡带及天然场地多年冻土上限基本保持不变. 随着远离湖塘中心, 湖塘下部及其周围多年冻土含冰量依次升高, 地温年变化深度依次降低, 年平均地温依次降低. 观测期内, 湖塘下部浅层多年冻土地温在逐渐升高, 深部土体地温基本保持不变; 湖岸过渡带及天然场地下部多年冻土地温基本保持不变. 天然场地多年冻土地温明显低于湖塘下部土体地温.     

多年冻土区桥梁工程钻孔灌注桩温度场研究

针对多年冻土区钻孔灌注桩施工中混凝土水化热对冻土温度扰动问题,以青藏公路214沿线查拉坪旱桥桩基为实例,结合桩基施工完成后现场地温观测数据,进行了钻孔灌注桩水化热对桩周土体温度的影响研究,并分析桩周土回冻过程中地温场的变化规律.结果表明：混凝土水化热对距桩0.6 m与0.9 m处冻土温度影响较大.距桩2 m的测温孔温度曲线受混凝土水化热的影响较小,可以忽略.桩基施工完成后33天后桩侧开始出现负温,119天后桩侧各土层均降至负温,134天后桩侧土形成稳定冻土,201天后桩侧各土层温度与天然孔较接近.     

多年冻土区灌注桩竖向抗拔承载力试验研究

为研究多年冻土区桥梁及建筑物桩基抗冻拔的能力和变形性质,结合青藏铁路试验段工程,对青藏高原高温细颗粒多年冻土区钻孔灌注扩底桩和直孔桩现场抗拔力试验进行了研究,得到了两种桩型在同一地质和地温条件下的抗拔承载力及变形的试验结果。依据地温测试资料的分析,给出了桩-土体系回冻时间及地温变化特征。研究成果可为类似条件下抗冻拔桩基础设计与施工提供参考。     

大兴安岭湿地多年冻土区活动层水热特征分析

大兴安岭北部是我国唯一的中高纬度多年冻土区,其水热特征分析对陆气能量交换、生态系统和气候变化等研究有重要意义。基于2011—2020年期间对大兴安岭森林生态站附近的湿地多年冻土开展的气温和0~2 m地温和土壤含水量数据,对大兴安岭湿地多年冻土活动层的水热特征进行了分析。结果表明：湿地多年冻土活动层内地温的变幅随深度减小,且具有滞后性。融化期地表温度高于深层地温,冻结期相反。2012年、2013年、2019年和2020年的平均融化速率分别为0.49、0.61、0.47和0.56 cm·d^-1,向上平均冻结速率分别为1.34、2.12、2.58和1.65 cm·d^-1。向下平均冻结速率分别为1.69、1.02、3.32和1.00 cm·d^-1,最大融化深度分别为78.73、85.65、66.22和74.94 cm。2012年5月—2013年5月期间,土壤未冻水含量随地温变化的拟合关系较好,相关系数大于0.90,且深层拟合效果优于表层。融化期土壤水分变化幅度大,与地温的相关性差,随深度增加相关性减弱。湿地充足的水分为多年冻土的双向冻结提供了条件。研究成果可为大兴安岭湿地多年冻土区的冻融循环、水热耦合机理和模拟研究提供数据基础和理论依据。     

基于GWRRK的多年冻土地温空间分布模拟研究

研究冻土地温空间分布,有助于探索冻土活动层厚度的变化特征,为冻土灾害防治提供科学依据。以青藏铁路昆仑山至尺曲谷地段多年冻土覆盖区域为研究区域,采用地理加权岭回归克里金（GWRRK）方法对该区域2001年7月至9月的地温空间分布进行了模拟,揭示了该区域多年冻土融化深度的变化特征。结果表明：研究区域内多年冻土地温总体表现为山区地温低于平原和盆地地区地温;地温随深度的增加而降低,在0~5 m的深度区间内温度变化较大,平均温差为10.3 ℃,而在5~15 m的深度区间内基本保持不变,平均温差仅0.2 ℃。通过将GWRRK方法与具有外部漂移克里金（KED）方法和地理加权岭回归（GWRR）方法的模拟效果进行对比,发现前者的模拟精度优于后两种方法。     

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。     

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。     

计算多年冻土上限深度的地温法

本文以大量实测资料为基础,探讨了季节融化层导温性能及地温峰值滞后等自然因素对多年冻土上限深度的影响。还通过地表面的热效应和气温脉动的研究,讨论了多年冻土上限深度的小区域特点和未来期望值。提出了适合青藏高原多年冻土区计算多年冻土上限深度的半经验公式。由于主要依据是地温的分布和传导特征,故称之为“地温法”。     

寒区桩基热稳定性研究进展

桩基础锚固长度大、埋置深,对地温场的扰动小、回冻快,在青藏高原多年冻土区被广泛使用。寒区桩基热稳定性研究是一个交叉面广、综合性较强的问题,它涉及到传热学、冻土学、桩基础的设计、桩-土相互作用等多方面的内容。在大量文献基础上,从现场试验、模型试验、理论计算等角度,对寒区桩基热稳定研究现状进行了总结和分析,文献研究表明：土体回冻过程受众多因素影响,而影响程度最大的是混凝土浇筑时的水化热释放;在全球变暖的情形下,未来50年青藏高原冻土退化严重,对桩基热稳定性构成威胁,需要采取相应的保护措施。     

东北大兴安岭多年冻土区工程地质特征及评价

土体在冻结状态具有极高的压缩模量, 具有弹性体的工程地质特征。但是在冻土地温升高过程中, 这种特征急剧衰减, 产生蠕变和流变, 建筑物地基强度降低, 导致建筑物基础破坏。同时土体在冻结过程中产生的冻胀作用也将导致建筑物基础的破坏。东北大兴安岭地区多年冻土为高纬度低海拔多年冻土, 其分布具有明显纬度地带性特点。本文在分析该区多年冻土分布特征及冻土工程地质特点的基础上, 对由于土体的冻胀和融沉导致的建筑物基础的危害进行分类研究, 针对性的提出了用热棒降低土体温度以保证多年冻土稳定及用排水的方法减少水对建筑物地基多年冻土影响的工程病害处理措施。     

高原高寒多年冻土区的桥梁施工技术

针对青藏高原高寒、缺氧等特点,以及青藏铁路多年冻土的特殊性与复杂性,通过实践与理论讨论,详细地制订出了在高原高寒多年冻土区桥梁工程施工中的技术措施和施工工艺.在青藏高原的多年冻土区,由于桥梁及工程建筑物的修建,将改变原有的温度场、应力场、以及冻土层的水热交换.因此,选择合理的施工季节、施工方法和采取必要的施工措施,是减少施工对多年冻土热扰动的必要措施.     

青藏公路沿线多年冻土区活动层起始冻融时间的时空变化特征和影响因素

多年冻土区活动层冻融格局对气候系统、能量平衡、水文过程和生态系统有重要的影响,地表冻融时间是反映冻融格局时空变化的重要指标。为了探明多年冻土区活动层起始冻融时间的影响因素和机制,通过对青藏公路沿线8个典型活动层观测场地表起始融化时间（OOT）和起始冻结时间（OOF）进行研究,分析了不同观测场起始冻融时间的时空差异及其影响因素。结果表明：（1）青藏高原多年冻土区活动层起始融化主要发生在4月中下旬,起始冻结主要发生在10月中下旬。OOT的年际变化幅度远大于OOF,每年起始冻结的发生较起始融化更为准时。（2）起始融化发生时的气温普遍比起始冻结发生时高1~4℃。气温对OOT的影响要比对OOF大,其中OOT的变化主要与春季气温有关,冬季气温对其影响不大。（3）植被和土壤水分对OOT和OOF有重要调节作用,土壤含水率越高,植被状况越好,起始融化和冻结的发生时间往往越迟。（4）在起始融化和冻结阶段,厚度较大和持续时间较长的积雪对地温变化有明显的抑制作用,对OOT和OOF有延迟作用。