青藏公路沿线冻土的地温特征及退化方式

青藏高原多年冻土(以下简称冻土)具有地域分布广、厚度薄及稳定性差等特征. 过去几十年的气候变暖背景下, 冻土广泛退化, 地温升高, 夏季最大融化深度加深, 冬季冻结深度减小. 冻土已经产生下引式、上引式和侧引式退化. 冻土层厚度减薄, 或者在某些地区彻底消失. 冻土退化模式研究在冻土学、寒区工程和寒区环境管理方面具有重要意义. 由南至北穿越560 km冻土区的青藏公路沿线(简称青藏线)冻土在青藏高原腹地具有很好的代表性. 在水平方向上, 冻土退化在多年冻土下界附近的零星冻土分布区、融区边缘和岛状冻土区表现得更为明显. 当最大季节融化深度超过最大季节冻结深度时, 冻土开始下引式退化; 通常形成融化夹层, 造成多年冻土和季节冻结层不衔接. 当多年冻土层中地温梯度减小到小于下伏或周边融土层时, 则产生上引式或侧引式退化. 下引式退化进程可分为4个阶段: (1) 初始退化阶段, (2) 加速退化阶段, (3) 融化夹层阶段, (4) 最终多年冻土彻底融化为季节冻土阶段. 当多年冻土中地温梯度降至下伏融土层地温梯度以下时, 则产生上引式退化. 3种类型冻土温度曲线(稳定型、退化型和相变过渡型)展现了这些退化模式. 虽然存在不同地段和类型的地温特征, 三种退化模式的各种组合最终将使多年冻土消融, 转变成季节冻土. 过去25年来, 青藏线冻土年平均下引式退化速率变化在6~25 cm, 年平均上引式退化速率在12~30 cm, 零星多年冻土区年平均侧引式退化速率为62~94 cm. 这些观测结果超过所报道的过去20年来阿拉斯加亚北极不连续冻土区4 cm的年平均退化速率, 蒙古国不连续冻土区的4~7 cm的年平均退化速率, 以及雅库悌共和国亚北极和阿拉斯加北极稳定性冻土区退化速率.     

多年冻土场地路基地震动位移性状研究

直接针对目前多年冻土场地道路工程抗震问题研究尚很薄弱这一事实，以在建的青藏铁路工程的抗震设计与地震加固为应用背景，基于若干种较为典型的多年冻土场地路基工况，开展多年冻土场地路基地震动位移性状的研究工作。研究表明，与不同的场地地形条件相比，场地冻土层厚度对路基地震位移响应的影响更加突出，尤其是含冻土融层路基的地震动位移值较不含冻土融层路基的地震动位移值大，因而冻土融层的存在无疑加剧了多年冻土场地路基的震害响应。     

多年冻土场地路基地震响应动应力性状研究

以青藏铁路工程抗震设计与地震加固为应用背景,基于冻土场地路基的若干典型工况,开展多年冻土场地路基地震响应动应力性状的研究工作。研究表明,与不同的场地地形条件相比,冻土层对路基地震响应动应力的影响更加突出,尤其是含冻土层路基的地震动应力幅值、频率较不含冻土层路基的地震动应力幅值、频率大得多,因而冻土层的存在可能加剧了路基的震害响应。     

基于试验的多年冻土典型路基形变研究

多年冻土塑性形变特性是理解其应力响应性态及过载退化的关键,也是近年来冻土工程和岩土工程学科研究领域的热点问题。基于三轴试验测得9%、12%和15%含水量条件下-1℃、-2℃多年冻土弹性模量、黏聚力和内摩擦角等土层物理力学参数,建立典型铁路路基模型,分析天然地震荷载作用下多年冻土区铁路路基在温度升高、强度退化作用下的塑性形变规律。结果表明：随着温度升高冻土强度退化,-1℃的塑性形变大于-2℃各坡脚、路基中心处的塑性形变;左右坡脚处塑性形变具有对称性分布规律;典型铁路路基试验土层地温由-2℃升高到-1℃,9%含水量试验土层塑性应变左坡脚放大3.5倍、右坡脚放大4.9倍,12%含水量试验土层塑性应变左坡脚放大1.6倍、右坡脚放大2.5倍。多年冻土退化条件下12%含水量的试验土层表现出良好的稳定性,在同等受力条件下塑性变形增长最小。     

青藏高原多年冻土区天然气水合物形成条件模拟研究

基于野外气体地球化学调查研究,以及前人有关冻土表层温度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等的资料,对青藏高原多年冻土区天然气水合物的形成条件开展了模拟研究. 结果显示：研究区冻土条件能够满足天然气水合物形成的基本要求;气体组成、冻土特征（如冻土厚度或冻土表层温度、冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度等）是影响研究区天然气水合物稳定带厚度的最重要因素,其在不同点位上的差异性可能导致天然气水合物分布的不均匀性的主要原因;研究区最可能的天然气水合物为甲烷与重烃（乙烷和丙烷）的混合气体型天然气水合物;在天然气水合物分布的区域,其产出的上临界点深度在几十至一百多米间,下临界点深度在几百至近一千米间,厚度可达到几百米. 与Canadian Mallik三角洲多年冻土区相比,青藏高原多年冻土区除了冻土厚度小些外,其他条件,如冻土层内地温梯度、冻土层下地温梯度、气体组成等条件较为相近,具有一定的可比性,预示着良好的天然气水合物潜力.     

未来50与100 a青藏高原多年冻土变化情景预测

政府间气候变化委员会(IPCC)估计, 21世纪全球平均气温将增加1.4~5.8℃. 据预测未来50 a青藏高原气温可能上升2.2~2.6℃. 在建立冻土数值预测模型的基础上, 计算了在两种气温年升温率情景下青藏高原多年冻土自然平均状态50和100 a后可能发生的变化. 预测结果表明, 气候年增温0.02℃情形下, 50 a后多年冻土面积比现在缩小约8.8%, 年平均地温T_cp>−0.11℃的高温冻土地带将退化, 100 a后, 冻土面积减少13.4%, T_cp > −0.5℃的区域可能发生退化; 如果升温率为0.052℃/a, 青藏高原在未来50 a后退化13.5%, 100 a后退化达46%, T_cp>−2℃的区域均可能退化成季节冻土甚至非冻土. 预测结果对青藏高原寒区工程规划和建设的辅助决策具有重要意义.     

多年冻土区桥梁桩基础地震响应的模型振动试验研究

以青藏铁路高温不稳定多年冻土区"以桥代路"工程——清水河特大桥的桩基础为研究目标,在负温条件下对该桥梁桩基础结构的缩尺模型进行了地震荷载作用的模型振动试验,研究了地震荷载作用下桩-冻土相互作用,分析了结构的地震响应特征,明确了桩体动荷响应对桩周冻土地温和应变的影响规律,最后对地震荷载作用下高温不稳定多年冻土区桥梁桩基础的稳定性作出了评价.     

多年冻土区道路工程病害类型及特征研究

多年冻土及多年冻土区恶劣的环境给工程构筑物的建设及维护带来了极大的挑战。以青藏工程走廊内的青藏公路、青藏铁路两大道路工程为研究对象,系统论述了其路基工程、桥梁工程、涵洞工程的主要病害类型及分布特征。现场调查显示,青藏公路80%的路基病害由多年冻土融沉所引起,主要表现为严重的不均匀沉降变形和纵向裂缝,且主要发生在高填方路基上。这两种病害与多年冻土地温及含冰量密切相关,地温越高,含冰量越大,病害越为严重。青藏公路桥梁工程的病害主要集中在附属工程及上部结构上,而涵洞工程病害则主要由冻胀、融沉作用、泥石流淤积、冰塞以及施工原因导致。青藏铁路沿线现场监测及调查结果表明,目前铁路路基病害主要为高温冻土区普通路基的（不均匀）沉降变形、纵向裂缝、路桥过渡段沉降变形、风沙灾害及块碎石材料风化引起的冷却路基结构失效等。此外,青藏工程走廊内广泛分布着包括冻胀丘、冰椎、冰幔、热融湖塘等不良冻土地质现象,当上述不良地质现象与工程接近时,会对道路工程的稳定性造成威胁,严重时可导致一些工程病害的发生。     

探地雷达在多年冻土工程地质勘察中的应用效果研究

由于融土和冻土之间存在明显的电性差异,使探地雷达成为研究多年冻土的有效手段之一.本文结合工程实例,对探地雷达在青藏高原多年冻土工程地质勘察中的应用效果进行了现场试验研究.分析了探地雷达探测多年冻土的物理前提条件,总结了多年冻土主要地质要素的雷达图像特征和探地雷达在多年冻土工程地质勘察中的实际应用效果.研究表明融土与冻土的雷达图像特征存在明显差异:融土雷达反射波为低频强宽振幅的稀疏波,波形较杂乱;冻土反射波为高频低振幅细密波,波形较为规则;探地雷达可较为准确地划分地层、识别多年冻土上限、确定多年冻土分布范围,但尚不能有效确定多年冻土的含冰量;另外,探地雷达对细颗粒土的探测效果要明显好于粗颗粒土.文章还指出了现场探测和图像解译分析中需要注意的事项和下一步需要研究解决的问题,建议在开展现场探测工作之前先在有钻探资料或天然地质剖面处进行对比试验,搞清测区内主要地层的物性参数,掌握有效波和干扰波的分布规律,从而提高雷达探测结果的准确性和可靠性.     

冻土场地地震反应分析研究中的关键问题探讨

总结了当前场地地震反应分析的计算方法与发展现状,得到寒区场地中由于冻土层结构的存在会对地震动的传播和场地的地震反应产生影响的结论。土体在冻结过程中其强度与刚度会显著增强,在地震过程中冻融土层界面的容易发生滑移破坏,并对场地地震反应和地震波的传递特征具有较大影响,是冻土场地地震反应分析中应当考虑的关键问题。鉴于当前场地地震反应计算方法不能模拟该界面的滑移特征的局限性,建议构建冻土场地地震反应计算新方法,并阐述了构建该方法所需要开展的基础性研究工作。     

机车动荷载作用下多年冻土区铁路路基动力响应的试验研究

青藏铁路穿越多年冻土区因地温和含冰量的不同而采取了不同的路基结构形式,以减小或避免气温和工程扰动对其下部多年冻土的影响。为了把握多年列车振动荷载作用下多年冻土区不同结构路基的动力响应特征,对青藏铁路北麓河段典型结构路基进行了实时强震动测试,得到了多年冻土区铁路路基的振动加速度衰减规律,对于研究机车动荷载对青藏铁路多年冻土区路基变形的定量影响规律,保障青藏铁路安全运营具有重要的科学意义。     

多年冻土区青藏铁路列车荷载作用下路基振动响应研究

针对多年冻土区青藏铁路列车荷载振动作用下的动稳定性,通过对北麓河和二道沟三个典型铁路路基横断面振动响应的二分量加速度观测,对比分析客运列车和货运列车引起的路基振动特性和衰减规律,研究不同防护形式路基的列车振动响应。结果表明,路基上的振动作用主要集中在40～80Hz频率范围内;防护形式对路基的列车动力响应有明显影响,热棒加碎石路基动力响应最小,其次为碎石防护路基,未采取任何防护的路基铁轨上的动力响应最大,建议对未采取防护的路基进行防护。分析结论为青藏铁路列车作用下的路基动稳定性评估提供实测依据,对多年冻土区的路基稳定性研究提供参考。     

青藏铁路高温多年冻土区列车行驶路基长期永久变形数值模拟研究

基于动三轴试验建立的冻结、融化状态青藏铁路粉质黏土的累积塑性应变模型,考虑路基土体动应力的作用,二次开发适用于青藏铁路高温极不稳定多年冻土区路基长期永久变形的蠕变法则,并在既有的黏弹塑性本构模型将其引入,计算列车荷载作用下青藏铁路路基的永久变形。分析结果显示：（1）列车荷载作用下距离路基顶面不同埋深土体的累积动力永久应变随着等效振次的增加而增加,并且先期的增长速度较快,最终趋于稳定,长期沉降在路基中心处最大,最终在路基距离轨道最远处几乎为零;（2）随着列车速度的增加,路基中心永久变形逐渐增大;（3）随着列车轴重的增加,路基中心永久变形逐渐增大,并且随着埋深的增加,列车轴重对路基永久变形的影响逐渐变小;（4）随着冻结深度的增加,路基表面累积塑性变形呈降低趋势;随着融化深度的增加,路基表面累积永久变形增加。     

地震作用下相邻地下结构与土相互作用特性研究

针对简单框架式地铁车站结构的抗震特性研究已取得一定成果,但对于结构形式较复杂或多个地下结构间相互作用等问题仍需进一步探究。本文利用现有地震分析方法中的动力时程分析法对两个地下结构间相互作用的影响进行系统对比分析,其中主体结构为三层三跨车站、附属结构为两层三跨车站。主要探讨附属结构与主体结构间距离的变化、两结构间连接形式对场地土以及主体结构地震响应特性的影响,分析比较场地土变形、主体结构变形、层间位移角以及内力在不同工况下的地震响应特性。结果表明:相邻地下结构与土相互作用形式较独立结构与土相互作用形式对场地土影响更加明显;当附属结构与主体结构间距离超过两倍结构宽度,附属结构对主体结构周围场地变形影响效应可基本忽略;同样当附属结构与主体结构间距离超过两倍的结构宽度,附属结构对主体结构的变形、内力基本已无影响,因此地震情况下相邻结构间相互作用影响范围基本为两倍结构宽度。与此同时,附属结构的存在对于主体结构抗震特性是不利的,不同连接形式中单层通道连接的形式变形以及内力方面均小于双层通道连接形式。     

隧道与临近地面结构动力相互作用规律数值模拟

通过建立不同场地条件下隧道-土-上部结构相互作用的模型,研究有、无上部结构存在、场地条件和地震波频谱特性对隧道-土-上部结构体系地震响应的影响.计算结果表明:(1)对于隧道等地下结构,其地震响应主要受场地条件影响,不同场地条件隧道动内力值相差巨大,设计时应引起足够重视,相比之下有、无邻近上部结构对其影响较小;(2)S波...     

绥棱爆破地震监测与局部场地台阵观测

黑龙江省地震局在绥棱组织了2次人工爆破,目的在于检验黑龙江省地震台网的监测能力和定位精度,并开展相关的地震学和地震工程学研究。为此,在原黑龙江省地震台网的基础上,又架设了一个由六台数字地震仪组成的流动台网,并在爆破点附近建立了一个由多通道强震观测系统和4台强震仪组成的场地影响台阵。本文介绍了这次爆破及现场观测的有关情况,并对结果进行了初步分析。     

液化场地桩-土地震相互作用p-y曲线分析方法研究

目前,我国尚缺乏液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用分析的合理数值模型与简化分析方法。鉴于此,直接针对振动台试验,基于非线性文克尔地基梁模型,考虑桩周参振土的质量惯性力、上部结构的惯性力、土体辐射阻尼等效应,建立了液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用的p-y曲线分析模型,并给出相应的简化方法。针对振动台试验进行了0.1g El Centro波输入下的分析,验证了桩-土地震相互作用分析方法的正确性,并且推荐了计算参数的合理选取方法,可用于液化场地桩-土地震相互作用的分析。提出的液化场地桩-土地震相互作用p-y曲线简化分析方法,为实际桥梁桩基抗震设计与分析提供一定参考。     

基于KiK-net记录的PGA与Sa场地影响因子分布研究

场地条件对地震动有着重要的影响,它一般通过地表峰值加速度PGA或者谱加速度Sa在不同场地条件下的放大系数表示。以往的相关研究中缺少大量的实测地震动数据分析;没有明确给出PGA和Sa在不同场景下的适用性;较少赋予其放大系数分布概率含义。选取KiK-net台网1997—2019年记录的210多万条地震动信息,通过PGA与Sa放大系数的分布分析了其在不同场景下的适用性,然后基于控制变量法和回归方法对每个台站的PGA放大系数进行拟合分析,最后对不同场地类别的PGA放大系数进行了概率分布函数拟合。研究结果表明：场地条件不变情况下,地震动放大系数的分布有很好的规律性;Sa较PGA放大系数分布离散程度更小,且随着Sa周期增加,其离散程度呈现逐渐减小趋势,在建筑物周期确定的情况下,Sa具有更高的适用性;Ⅰ、Ⅱ类场地且周期大于1.0 s的Sa放大系数具有较高的稳定性;相同场地条件下,PGA放大系数呈非线性分布,随着基岩PGA(PGA_R)的增加逐渐减少;PGA放大系数趋于指数正态分布。研究结果可用于未来更加准确地估计损失与描述场地条件对地震动的影响。     

液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用振动台试验数值模拟方法研究

直接针对大型振动台模型试验,建立液化场地桩-土-桥梁结构地震相互作用数值模拟的二维分析模型和计算方法。根据桩基平面应变假定,将空间桩体转换成平面板桩,并考虑桩的尺寸效应;基于桩截面节点位移协调条件和平衡力系等效原理,建立四结点梁单元刚度矩阵且对Timoshenko梁杆单元刚度矩阵进行增广修正,以考虑桩的横向尺寸影响桩周土位移场分布的尺寸效应。根据有效应力原理进行土动反应分析,采用满足M asing准则的修正双曲线模型描述土动力变形的本构关系,同时考虑因孔压上升造成土体软化而对土动力性能的影响,由迭代法处理土的动力非线性。采用并联弹簧-阻尼器模拟计算域人工边界,以考虑边界波的反射作用对体系动力反应的干扰和土粘滞阻尼的影响。采用W ilson-θ逐步积分法计算体系的地震反应。通过与试验结果的对比分析,评估数值模拟的建模途径和计算方法的可靠性。