分级加卸载作用下冻结界面黏弹塑性剪切蠕变解耦分析研究

桩-土界面间冻结力及荷载作用下界面的剪切力学行为是决定冻土区桩基础承载性能和荷载传递的关键。由于冰的显著流变性及高含冰量冻土区上限附近厚层地下冰的广泛分布特征,桩基础中上位具有的冰冻结界面剪切蠕变特性对桩基础的承载性能有显著影响。为研究桩冰冻结界面剪切变形特征及其内在机制,开展了-3℃、-5℃下冰-钢管结构分级加卸载剪切蠕变试验。通过对变形曲线的分段独立解耦,分析了冻结界面的黏弹塑性剪切变形行为。结果表明,界面剪切变形可分解为瞬弹性(S_ie)、瞬塑性(S_ip)、黏塑性(S_vp)以及黏弹性变形(S_ve)。广义弹性剪切模量随分级荷载的增加逐渐变大,表明加卸载过程中结构未加速破坏前界面存在明显的强化效应。界面剪切蠕变特征随剪应力水平的增加由衰减向非衰减过渡。其中,黏弹性变形和低剪应力水平下黏塑性变形均表现为衰减性,且荷载越大,黏弹性变形越大。高应力水平下黏塑性表现为非衰减性,且变形速率随剪应力水平增加显著提升。整体而言,冻结界面塑性变形值占总累计变形的比例先减小,后增大,其中瞬塑性变形主要存在于应力水平较...     

青藏高原多年冻土区埋地输气管道周围温度场数值分析

通过建立管道与多年冻土热相互作用的计算模型,利用数值分析方法探究了不同管温（输运温度）工况下冷输天然气管道对管周土体冻融过程和多年冻土热稳定性的影响。研究表明：5℃正温输运天然气管道可造成下覆冻土上限下降约11倍管径,管周多年冻土退化严重;0℃输运会导致管底下部高温不稳定冻土范围扩大,管底土体强度及承载性能降低,不利于保持多年冻土和管道运营稳定性;-1℃和-5℃负温输运可有效提高冻土人为上限,保持管底冻土温度稳定,但-5℃时管道下部土体温度降低明显,可能导致冻胀病害发生。就管周冻土热稳定性而言,在青藏高原多年冻土区采用冷输（负温输送）工艺输运天然气有利于保护管周多年冻土,是可行的。     

基于移动网格技术的热融湖动态演化过程数值模拟

基于移动网格技术建立了热融湖动态演化有限元数值模型, 研究了青藏高原多年冻土区典型热融湖动态演化过程, 分析了热融湖半径、深度的变化过程及其对湖底及周围多年冻土温度状况的影响. 结果表明:在移动边界热融湖模型中, 热融湖半径以0.7 m·a^-1的速度近线性地增大; 随着下伏高含冰量冻土的融化, 热融湖深度增加先慢后快, 最后逐渐减小趋于稳定. 热融湖深度和半径从5月末至翌年1月末增加显著, 在2-5月间基本保持稳定. 伴随着热融湖的扩展, 地表边界逐渐演变为湖底边界, 热融湖的热影响范围逐渐增大. 在固定边界热融湖模型中, 其热影响会逐渐趋于稳定, 由于初始尺寸大, 其湖底多年冻土退化速率大于移动边界模型, 而远离湖边的多年冻土退化速率要小于移动边界模型. 如果不考虑热融湖边界随时间的变化, 可能会高估热融湖对湖底多年冻土的热影响, 而低估其对附近多年冻土的热影响.     

青藏粉土-玻璃钢接触面力学特性直剪试验研究

青藏直流±400 kV输变电工程中采用表面光滑的玻璃钢覆盖基础表面,以减少切向冻胀力对基础的冻拔作用。过去的研究鲜有涉及土体特别是冻土与玻璃钢基础接触面的力学特性,为指导冻土区基础设计和安全评价,采用应变直剪仪开展了多种含水率和温度条件下青藏粉土-玻璃钢接触面直剪试验研究。结果表明,青藏粉土-玻璃钢接触面屈服时相应剪切位移很小,应变硬化阶段短暂或不显著;冻结状态下接触面应力-位移性状呈脆性破坏型,存在明显峰值;融化状态时接触面的剪应力-位移性状呈塑性破坏型,其应力-位移关系曲线为弱软化型和屈服型,没有明显峰值;融化状态时接触面抗剪强度值随含水率的增加而缓慢减小,冻结状态时其强度随负温绝对值和含水率的增加而增大,且随着土体含水率的增大,温度降低导致接触面抗剪强度增强效果更加显著,土体含水率大于19%后抗剪强度趋于稳定;温度对抗剪强度的影响主要体现于黏聚力的改变,且随着含水率的增加,温度影响增强。接触面内摩擦角随负温绝对值增加而减小,随含水率的增加而减小。     

青藏冻结粉土与混凝土基础接触面本构关系研究

土冻结过程中,冰胶结作用使周围土体颗粒与建（构）筑物基础联成一体,这种胶结力称为土与基础间的冻结强度,通常采用冻土沿物体（例如基础材料）表面的剪切强度来度量。因而,冻土与基础接触面的应力-应变关系及其强度特征是确定冻土区基础工程承载力、抗拔性能和分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。为了更好地服务于工程实际,通过大量的冻结粉土与混凝土基础接触面剪切试验,总结了冻土接触面的基本力学特征和受力变形规律。根据获取的剪应力-位移曲线和冻结粉土接触面强度变化规律,利用标准本构模型建模方法,建立了冻结粉土接触面应力-位移-温度本构方程。该模型可以较好地描述不同温度冻结粉土接触面应力-位移变化规律,并为冻土区构筑物受力和变形数值计算提供基础。     

基于数字图像技术的土冻胀试验系统研究

开展土冻胀过程的研究对于认识土冻胀机理具有重要的意义,以往学者多采用建立模型进行数值分析的方法,但是在试验中却不能对模型预测的冷生构造、冰分凝、水分迁移等实时过程进行验证。通过建立包括实时图像采集系统、图像预处理系统以及图像数字化系统为一体的基于数字图像技术的土冻胀试验系统,对青藏粉土的冻胀发展过程和冰分凝过程进行了研究分析。结果显示：试样冻胀后已冻区纵剖面的冷生构造可以分为微薄层状构造区、薄层状构造区以及最暖端厚层状构造区三个部分,其中薄层状构造区下部的冰透镜体的分凝作用是冻胀的主要贡献部分,最暖端厚层状构造区中冰透镜体的分凝作用导致了试样未冻区的固结,试样中冰透镜体的分凝过程与试样的冻胀过程和试后含水率的结果能够相互验证。建立的试验系统可以对土冻胀过程中包括冷生构造发育、冻胀变形、冰分凝等过程进行实时采集和定量分析,为冻胀模型的建立和验证提供了试验方法和技术支撑。     

青藏高原北麓河地区沥青路面辐射特征分析

沥青路面是寒区道路工程主要路面类型之一, 其对热量的吸收易诱发寒区道路病害. 在青藏高原北麓河试验场对沥青路面和天然地表的太阳辐射和地面辐射通量进行了观测, 对比分析了两种地面类型在能量辐射方面的差异. 结果表明: 天然地表的反照率是沥青路面的2~3倍. 沥青路面和天然地表的辐射通量总体呈夏季 >秋季 >春季 >冬季特点. 到达沥青路面的向下长、短波辐射量均大于天然地表, 沥青路面向上的长波辐射通量大于天然地表. 2009年9月-2010年8月沥青路面的净辐射量比天然地表多302.2 MJ·m^-2, 2010年9月-2011年8月向上的短波辐射相对增加, 使得沥青路面的净辐射量仅比天然地表多28.21 MJ·m^-2. 在5 cm深度, 沥青路面的温度比天然地表高约1.15~8.6 ℃. 对短波辐射的削减和对长波的吸收是其净辐射量增加的重要原因, 在能量辐射方面的差异是造成沥青路面吸热的重要原因之一.     

考虑降雨作用的气温升高对多年冻土活动层水热影响机制

近50 a青藏高原暖湿化趋势显著,水热边界条件的改变必然影响多年冻土的稳定性和高原生态环境的演变。已有研究主要关注气候升温对冻土温度场的影响,而对升温过程伴随的活动层水分变化研究较少。基于土壤-地表-大气水分和能量平衡的冻土水-汽-热耦合模型,以青藏高原北麓河地区2013年实测气象资料为模型驱动数据,研究在降雨不变,气温不变、气温升高1℃和升高2℃情况下活动层水热响应机制与过程。结果表明:气候升温通过改变地表能量与水分平衡过程和土壤内部水热运移分量影响多年冻土水热过程。气温升高引起地表净辐射、蒸发潜热和土壤热通量增大,而地表降雨入渗和感热通量减少;气温升高会降低土壤含水率和土壤导水系数,但温度梯度及与温度梯度相关的水分和能量分量相应增大,而与水势梯度相关的水分和能量分量相对减少;升温对土壤温度场的影响比水分场明显,影响范围也更深;随着气温升高,地表蒸发量和活动层厚度增大,气温升高加速了冻土的退化过程,与降雨增加对冻土的热稳定性影响相反。     

冻土水分迁移机理研究：评述与展望

土冻结过程中的水分迁移、积聚是冻害形成的关键环节,至今仍是冻土物理学研究的前沿和重要课题。二十世纪七八十年代冻土水分迁移研究黄金时代以后,长期未有经典理论和科学认知的重大突破,冻土水分迁移中涉及的许多机理性问题和关键瓶颈难题至今仍不能准确回答,尚存在很多争议和认识上的不足,现有研究成果在实际工程中的应用并不令人完全满意。因其性质的易变性、微观性和突变性,冻结相变区（冻结缘）仍是冻土水热输运研究中的一个“黑箱”。研究评述了冻土水分迁移驱动力与迁移过程相关研究的发展历程、主要研究进展与现状;分析了孔隙水压力、土水势驱动冻土水分迁移的物理原理和基本规律,综述了孔隙水压力、土水势的理论表征与试验测试等方面的最新进展、认知现状与主要科学问题;分析了三种流行的冻土水分迁移理论,即毛细水迁移理论、薄膜水迁移理论和水汽迁移理论;总结了制约冻土水分迁移科学认知突破的关键瓶颈难题,展望了未来研究的重点和方向。认为未来的研究应加强仪器设备的改进、研发与新技术引入,重点关注冻土水分迁移驱动力的物理本质和精准监测,强化冻土水分迁移的微观过程及机制认识,需从非平衡态热力学的视角关注热质输运与冰-水相变过程,注重工...     

月球极区冻结模拟月壤物理力学特性研究

近年来越来越多的探测结果表明,月球极区永久阴影区月壤中存在水冰。水是人类赖以生存的化学物质,也是理解月球独特的形成与演化过程的关键环节。因此,各航天大国均将月球极区作为探月工程的重要目标。冻结月壤的导热系数和单轴抗压强度是月球极区原位探测取样的基础和关键参数。本研究采用低温试验研究了冻结模拟月壤的导热系数和单轴抗压强度。结果表明：冻结模拟月壤导热系数随含水率增大而线性增大,冻结模拟月壤的导热系数为0.2~1.3 W?m^-1?K^-1。冻结模拟月壤单轴压缩过程中发生脆性破坏,5%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为5 MPa,10%含水率冻结模拟月壤单轴抗压强度约为13 MPa。在初始加载阶段,干密度相同、含水率不同的冻结模拟月壤试样因微裂纹压密导致的应变量基本相同;在线弹性阶段,冻结模拟月壤有效弹性模量随含水率增大而增大,其主要原因是含水率增大使得月壤颗粒间的冻结强度增大;在破坏阶段,含水率较高的冻结模拟月壤表现出脆性破坏特征,含水率较低的冻结模拟月壤表现出更显著的塑性特征。研究结果将为月球永久阴影区水冰探测方案制定、探测器研制等提供基础的科学数据支撑。