冻土强度特性及其主控因素综述北大核心CSCD

冻土强度是冻结法施工及冻土构筑物安全评估中的关键力学参数。然而,冻土强度特性十分复杂,受到环境温度、土体类型、含水量、应变速率等诸多因素的影响,目前还缺少统一的结论。鉴于此,文章对冻土强度的相关试验成果进行了全面回顾,并总结了各因素对冻土强度的影响规律及其作用机理。文献调研结果表明,冻土强度随温度的降低而增大,在工程常见温度范围内二者近似呈线性关系。温度降低所引起的冰强度增加和未冻水含量降低是冻土强度增大的主要原因;当温度低于一定阈值后(如-80℃),冻土强度达到最大值并不再变化。非饱和冻土的抗压强度随含水量的增加而增大,原因在于其饱冰度会随着含水量的增加而增加,使得土颗粒与冰晶体的黏结作用增强。对于饱和冻土,含水量的增加会导致冻土密实度降低,其强度随含水量的增加而降低。冻土抗拉强度与抗压强度具有较强的相关性,其压拉比随土体类型的不同存在较大差异,在3~12之间。整体来看,影响冻土强度的因素众多,目前的研究工作多基于单一影响因素,针对多种因素耦合作用、应变速率影响和抗拉强度的研究仍较少,相关工作有待进一步深入。     

辽西地区冻风积土动力特性试验分析

动荷载作用下冻土的动力学参数是寒区工程抗震设计的关键。基于大量室内动三轴试验,研究了地震荷载作用下,辽西冻风积土的动强度σd、动变形εd、动弹性模量Ed和动阻尼比λd等动力学参数与土体含水量w、温度T、围压σ3c、动应力幅值σdamx和频率f等条件的关系。试验中采用三水平六因素的设计方法共进行了18组试验。试验结果表明,在相同振次水平条件下,冻土的动变形随动应力幅值的增大和温度上升而增大;在相同温度条件下,冻土的动剪切强度τd随着围压的增加而增加;低温冻土(-15℃)的动强度和动弹性模量要高于高温冻土(-2℃)的动强度和动弹性模量;冻土的动阻尼比随着变形和频率的增加而降低,随着含水量的增加而增加。上述规律为辽西风积土地区建设工程提供了较为可靠的抗震设计依据。     

融化压缩下水泥改良冻土的微观孔隙特征演变

水泥改良冻土在融化压缩下的微观孔隙演变特征研究,对了解水泥改良冻土的过程具有重要意义。将水泥改良后的冻土进行融化压缩实验,通过冷冻干燥法对试验后的土样进行电镜样品制取并获取其微观特征图像。对试验土样进行比重测试,得到土样真实的三维孔隙比。最后以真实孔隙比作参考,确定图像分割所选取的灰度值并提取其孔隙特征。结合融化压缩试验结果,对水泥改良冻土的孔隙数量、面积、定向角及丰度值随改良土压缩量的变化关系进行了分析。研究结果表明:经过水泥改良后的冻土,大孔隙结构强度增大明显;随着水泥掺量及养护龄期的增加,孔隙比与孔隙面积变大,压缩量变小;随着土体压缩量的增大,孔隙的定向角分布逐渐由均匀状向锯齿状发展;土样压缩过程中,丰度值大于0.5的孔隙发生压缩明显,孔隙逐渐趋于细长状,并且随着压缩量的增大,孔隙丰度值的分布越来越趋于正态分布。孔隙微观结构演变研究为阐释水泥改良冻土宏观力学特性增强的机制提供了科学依据。     

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.     

冻土冲击韧度与凿碎比能关系的试验研究

冻土的冲击韧度与试块破坏断口的平整度反映了冻土的冲击特性。冻土凿碎比能是表示凿碎单位体积冻土所消耗的功,它反映了冲击破碎冻土的能力。以冻结粘土为试样,利用摆锤式冲击试验仪进行不同温度、不同冲击能量的带缺口的冲击实验,利用凿测器进行了冻土凿碎比能试验。实验结果表明,冻结粘土的冲击韧度随温度降低而增大,随冲击能量的增加而增大。随温度的降低,试样的破坏断口的凹凸不平度增大,其范围在±3mm之间。随着温度的降低,冲击凿入深度越来越浅,冻土的硬度越来越大,钻进程度越来越难。通过回归分析,凿碎比能随着冲击韧度的增加而增大,且在冲击韧度一定的情况下,随着凿入次数的增加,凿碎比能增加的值越来越小,凿碎比能与冲击韧度的相关性较好,表明用冻土的冲击韧度来反映凿碎比能是可行的。     

多年冻土地区公路路基纵向裂缝与路基走向关系的探讨

纵向裂缝是在多年冻土地区公路的主要病害之一,严重影响了所在路段的行车安全和正常运营.以前我国多年冻土区公路路基普遍不高,纵向裂缝病害较少且危害较小,公路设计和科研对其关注较少.目前,对纵向裂缝的形成机理与分布规律研究较少,对其发生、发展的机制、过程和影响因素缺乏深入的认识,工程和科研人员对其仍未形成统一的认识,给工程整治措施选择和处治方案制定造成很大困难.热状况是影响和控制多年冻土路基,特别是高温高含冰量冻土路基病害发生的关键因素;太阳辐射是影响多年冻土地区地表热状况的主要因素,公路路基抬高后,路基两侧接受太阳辐射的差异变大,冻土路基表面热状况和太阳辐射对路基病害的发生和发展影响变大.结合青藏公路多年冻土区路段纵向裂缝调查结果,分析了路基纵向裂缝在路基横断面上的分布规律,研究了不同走向路基表面太阳辐射的分布,探讨了多年冻土区公路路基纵向裂缝与路基走向的关系,以及太阳辐射对公路纵向裂缝形成的影响     

考虑不均匀冻胀土体-衬砌隧道在寒区的振动响应

在频域内研究简谐均布荷载作用在寒区不均匀冻胀土体-衬砌隧道中的动力响应问题。将衬砌与冻土间视为紧密接触,冻土及非冻土间由于组构、性质间的差异可发生相对移动,在考虑覆盖于隧道周围冻结土体发生不均匀冻胀的前提下得到简谐荷载作用在衬砌内径所引发的系统振动解析解。根据非冻土、冻土以及衬砌间的连续条件和边界条件得到待定系数,并得到寒区隧道系统中不同介质的位移以及应力的解析解。对具体参数模型进行算例分析,发现：隧道系统的介质（衬砌,冻土及非冻土）参数变化会对冻土环向应力幅值、不同冻结状态土体径向位移幅值及其基频产生影响;不均匀冻胀会改变外荷载作用下隧道周围冻土中的动力响应;寒区隧道系统径向位移幅值随距离隧道圆心的增加呈现衰减的趋势,非冻土径向位移幅值较冻土减小明显。     

太阳辐射对青藏铁路路基表面热状况的影响

在不考虑大气影响的情况下,铁路路基和左右边坡接受到的太阳辐射日总量随铁路走向和季节的不同,而有很大的差异.利用实测资料,计算了青藏铁路梯形路基不同表面吸收的太阳辐射能的差异,分析研究了青藏铁路路基及左右边坡表面的热状况及其与地面吸收的太阳辐射能的关系,提出了一些有关高原铁路建设方面值得注意的问题.利用地面吸收的太阳辐射能反演了青藏铁路路基和边坡表面温度,并进行了验证,从而得出了一个计算路基和边坡表面温度的简单参数化方法.     

青藏铁路遮阳棚路基试验工程效果实测研究

太阳辐射是导致气温和地表温度升高的主要因素之一,遮挡了太阳直接辐射后可以有效降低地表温度.基于青藏铁路冻土区遮阳棚路基试验工程监测数据,分析了遮阳棚内外的气温差异和路基地温特征.结果表明:遮阳棚能够降低棚内气温,监测期间棚内年平均气温低于天然条件下平均气温值0.6℃;监测期内天然条件下近地表0.1～0.3m范围的气温高于1.0m以上气温近1℃,但在棚体内部仅相差约0.3℃;日最高气温值在棚体内外的单日差值达6.0℃,平均气温值在地面0.1m高度处相差4.2℃,1.5m高度处相差2.1℃;在遮阳棚的作用下,棚体内部及附近土体地温有所降低,且多年冻土上限有一定的抬升,抬升最大幅度达1.0m.监测结果显示了遮阳棚对于保护路基下冻土的良好效果.     

现浇混凝土-冻土接触面冻结强度直剪试验研究

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样（块）与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明：试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大, φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4~0.5水灰比。     

山区太阳辐射对水热过程影响的敏感性分析

山区短波辐射的空间异质性非常强, 地形的遮蔽影响在山区能水循环模拟研究中不容忽视. 改进了SHAW模型和SHAWDHM模型的辐射模块, 使之能考虑地形的遮蔽作用对山区辐射平衡及其空间分布的影响, 并在单点和流域尺度进行数值模拟实验, 对比分析山区辐射过程对流域能水循环和径流的影响. 结果表明, 因地形的遮蔽作用, 地表接收的太阳直射辐射可减少25%左右, 模型模拟的土壤温度和蒸散发量分别降低约0.5 ℃和20%. 考虑山区辐射过程后, 模型模拟的春季融雪和夏季蒸散发均有所减缓, 导致春季融雪径流降低和夏季径流增加. 与观测径流对比发现, 考虑山区辐射过程后, 模型对径流量的模拟精度有所提高, 逐时径流量的纳什效率系数由0.677提高到0.711, 径流量的观测值与模拟值间的相关系数由0.835提高到0.851.     

降雨对青藏高原多年冻土区地表辐射的影响 ——以北麓河地区为例

青藏高原地表辐射变化影响多年冻土地表能量收支平衡、热工计算温度场边界条件以及冻土热稳定性.降雨变化是影响地表辐射的重要因素,以青藏高原北麓河地区的地表辐射资料和浅层地表水热监测数据为基础,分析了降雨对多年冻土区地表辐射特征的影响.研究表明:受降雨影响,辐射分量具有明显的日变化和年际变化特征,短波辐射被严重削弱,地面长波...     

基于地理探测器的青藏高原多年冻土分布影响因子分析

多年冻土的分布会受到局地地质、地形地貌和地表覆被等因素的影响.为探究各因子对多年冻土分布的影响强弱,选择青藏高原五个典型多年冻土区为研究区,基于MODIS和SRTM DEM数据提取研究区内2003—2012年平均地表温度、NDVI、地表反照率、积雪日数和坡度、坡向等因子,并采用地理探测器模型研究了各因子对研究区多年冻土...     

Numerical study of the effects of urban heat island on the characteristic features of the sea breeze circulation

A two-dimensional numerical model is employed to study the effect of the coastal urban heat island on the sea breeze front and the thermal internal boundary layer height. The temperature at the land surface is determined by solving an energy budget equation. The effect of the urban heat island is studied by varying the width of the region and its intensity. During the early afternoon, the presence of the urban heat island enhances the strength of convergence of the sea breeze front and also reduces its inland penetration. The presence of the urban heat island causes increased thermal internal boundary layer height. Larger urban width causes larger vertical velocity and higher thermal internal boundary layer. Stronger convergence and higher thermal internal boundary layer are also obtained in case of larger heat island intensity.     

Permafrost Characteristics of the Qinghai-Tibet Plateau and Methods of Roadbed Construction of Railway

Permafrost along the Qinghai-Tibet railway is featured by abundant ground ice and high ground temperature. Under the influence of climate warming and engineering activities, the permafrost is under degradation process. The main difficulty in railway roadbed construction is how to prevent thawing settlement caused by degradation of permafrost. Therefore the proactively cooling methods based on controlling solar radiation, heat conductivity and heat convection were adopted instead of the traditional passive methods, which is simply increasing thermal resistance. The cooling methods used in the Qinghai-Tibet railway construction include sunshine-shielding roadbeds, crushed rock based roadbeds, roadbeds with rock revetments, duct-ventilated roadbeds, thermosyphon installed roadbeds and land bridges. The field monitored data show that the cooling methods are effective in protecting the underlying permafrost, the permafrost table was uplifted under the embankments and therefore the roadbed stability was guaranteed.     

Analysis of an oasis microclimate in China’s hyperarid zone

The microclimate of a desert oasis in China’s hyperarid zone was monitored, analysed and compared to that of nearby forested lands. Factors associated with differences in photosynthetically active radiation (PAR) between clear, cloudy and dust storm days are discussed. Desert oases were shown to fulfill ecological functions such as altering solar radiation, adjusting near-ground and land surface temperatures, reducing temperature differences, lowering wind velocity, and increasing soil and atmospheric humidity. Total solar radiation within the oasis was roughly half that above the forest canopy. During the growing season, air temperatures in Populus euphratica Olivier and Tamarix ramosissima Ledeb. woodlands were, on average, 1.62 and 0.83°C lower, respectively, than that in surrounding woodlands. The greater the forest cover, the greater was the difference in temperature. Air temperature was higher at the upper storey than that at the lower storey of the community, i.e., air temperature increased with increasing height above the soil surface. During the growing season, relative humidity was higher in woodlands than in surrounding areas: relative humidity in P. euphratica and T. ramosissima woodlands were, on average, 8.5 and 4.2% higher, respectively, than that in the surrounding area. Mean wind velocity in the P. euphratica forest land was 0.33 m/s, 2.31 m/s lower than that in the surrounding area. On dust storm days PAR and total radiation, Q, were significantly lower than that on cloudy or clear days. Their ratio, η _Q  = PAR/Q, was larger and much more variable on dust storm days than that on clear or cloudy days.     

考虑冻土效应的桥梁桩-土动力相互作用研究现状与展望

冻土和地震是我国西部高寒高烈度地区桥梁工程建设中主要面临的两大挑战。冻土区线路工程广泛采用桩基础桥梁, 土体冻结后会显著影响地震作用下桩-土动力相互作用过程, 给桩基础桥梁抗震分析带来困难。首先系统总结和分析了冻土对桥梁结构地震响应的影响、 桩-冻土相互作用效应及其计算模型等方面的研究现状, 进而对相关成果进行了科学分析。研究表明： 冻土的存在对桥梁结构地震反应的影响是显著的, 桩基础桥梁抗震设计中不考虑冻土效应是不合理的。目前还存在的问题包括： 冻土区桥梁结构地震反应的研究中, 未充分考虑冻土效应; 现有桩-土相互作用模型无法有效应用于冻土领域; 地震作用下桩-冻土体系相互作用机理及其破坏特征不明确。在此基础上, 提出了考虑冻土效应后桥梁桩-土动力相互作用为今后需要重点研究的方向。     

MODIS地表温度产品在青藏高原冻土模拟中的适用性评价

利用MODIS地表温度反演产品,以青藏高原为研究区域,通过单点、区域、模型3方面来验证MODIS地表温度产品在青藏高原冻土模拟中的适用性.通过69个气象站点观测的地表O cm温度数据与所在位置的MODIS地表温度数据比较,二者在时间序列上的变化趋势基本一致,但是平均误差较大.在区域验证中,实测地表温度数据采用经纬度海拔...     

滑坡活动强度与几何要素之关系探讨

在滑坡发展过程中，滑坡的稳定性必然在其几何形态上有一定的反映。本文通过对滑坡展布面积、厚度、体积、长宽比、高度（即前后缘高差）及平均坡度等几何要素与滑坡稳定性的关系进行统计分析，发现滑坡活动强度与滑坡规模、平面展布形态及其空间展布状态有如下统计规律，并对此进行了初步探讨：（1）在滑坡规模方面，较小规模滑坡的体积越小，较大规模滑坡的体积越大，滑坡稳定性越差。（2）从滑坡形态方面来看，滑坡形态从横展型→等轴型→纵展型变化，滑坡稳定性增大。（3）对于滑坡的空间展布状态，高度减小与平均坡度增大，滑坡稳定性变差。     

Why did life develop on the surface of the Earth in the Cambrian?

Life was limited for most of Earth's history, remaining at a primitive stage and mostly marine until about 0.55 Ga. In the Paleozoic, life eventually exploded and colonized the continental realm. Why had there been such a long period of delayed evolution of life? Early life was dominated by Archaea and Bacteria,which can survive ionizing radiation better than other organisms. The magnetic field preserves the atmosphere, which is the main shield of UV radiation. We explore the hypothesis that the Cambrian explosion of life could have been enabled by the increase of the magnetic field dipole intensity due to the solidification of the inner core, caused by the cooling of the Earth, and the concomitant decrease with time of the high-energy solar flux since the birth of the solar system. Therefore, the two phenomena could be responsible for the growth and thickening of the atmosphere and the development of land surface life.