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.     

热融湖塘对多年冻土的热影响

以发育于青藏高原多年冻土区的红梁河热融湖塘为例,研究了热融湖塘附近土体的热状态变化特征,以及其对湖岸多年冻土上、下限影响情况.结果表明:热融湖塘侧向热影响改变了热融湖塘下部和周围区域土体的热状态,使周围土体热状态处于动平衡状态,既受热融湖塘的热影响,也受到周围多年冻土的热影响.热融湖塘对周围浅层土体温度和多年冻土上限影响相对较小,但热融湖塘热影响引起了湖岸边缘的多年冻土上限增大和地温升高.热融湖塘对深部土体温度和多年冻土厚度有较大的影响.     

U型块石路基结构对多年冻土的降温作用

通过对比北麓河试验段U型块石路基结构和普通路基下部土体温度监测研究,U型块石路基显著地抬升路基下部多年冻土上限,具有较强的降低多年冻土温度的作用.2005—2007年间,U型块石路基下多年冻土上限平均抬升幅度达0.9~1.4 m.路基中心下部0.5 m深土体温度降温幅度达1.13℃,原天然上限附近土体温度降温达1.28℃,5 m深的多年冻土降温幅度达0.77℃,且U型块石路基下部土体温度呈现逐年降低的趋势.然而,普通路基下部土体温度远比U型块石路基下部要高,2005年普通路基下部0.5 m深土体年平均温度比U型块石路基高1~3℃,1.5 m处高0.8~1.9℃,5 m处高1.2~1.5℃.同时,U型块石路基下部多年冻土上限抬升比普通路基大,2004—2006年间U型块石路基左路肩下多年冻土上限抬升比普通路基大0.86 m,路基中心大0.5 m.     

块石层与碎石层降温效果室内试验研究

多年冻土区道路病害主要是由路基下多年冻土融化下沉引起，降低路基土体温度、保护冻土是连续多年冻土区的主要建筑原则．通过室内试验研究了在边界温度周期性波动及一定风速条件下块石层和碎石层的降温效果．结果表明：在负温及正温期结束时，块石层中温度沿深度方向是单调变化的，而在碎石层中是非单调变化的；正温结束时，块石层孔隙中的空气温度比块石表面温度低；一定厚度的块石层和碎石层均具有明显的降温效果，在相同边界条件下，平均粒径约7cm的碎石层的降温效果比平均粒径约为22cm的块石层好。因此，选择降温层的最佳粒径及厚度对实际工程具有重要意义。     

多年冻土区路基调查中瞬态面波勘探方法应用研究

多年冻土地区铁路路基的振动与环境变化对路基稳定性的影响问题日益突出,为了评价这种影响引起的青藏铁路多年冻土区冻土的变化状况,首次应用了一种简便、高效、环保的瞬态面波勘探方法对其天然地表和典型结构路基及其下部多年冻土层进行了勘探。试验数据良好、频散特征显著,通过反演分析得到了青藏高原多年冻土地区天然地表和典型结构路基下部土体的剪切波速度剖面和多年冻土的分布。勘探结果表明,青藏铁路北麓河试验段勘探区内多年冻土上限一般为2 m,层厚为20 m左右,多年冻土层Vs平均为600 m/s以上。该结果与该区地质钻探编录和钻孔波速测试结果较为一致,说明瞬态面波勘探在自然环境严峻的青藏高原多年冻土地区有着良好的适用性。     

不同施工季节对多年冻土区锥柱式基础地温回冻影响

为研究多年冻土区输电线塔基锥柱基础在不同季节施工条件下其地温的整体回冻过程,以及不同季节施工对多年冻土的扰动特点,从保持多年冻土地温稳定性的角度优化大开挖类基础施工时期,采用数值模拟的方法,以青藏直流输电工程为背景,利用查拉坪地区地质及气象资料,并选择了典型月份(1月、4月、7月和10月)对锥柱基础不同季节施工后早期地温场进行了计算分析。结果表明：秋冬季(10月和1月)施工后,锥柱基础周围土体将保持冻结,其中1月施工后最快10 d回填区土体和天然冻土的温度差异即可消失,回填土热扰动较小;春夏季(4月和7月)施工会增大回冻期活动层深度和基础底部的融化深度,特别是7月施工可使活动层深度降低至基底(4.0 m),而4月施工由于增高了回填土土体温度,导致整个回冻时间长达195 d,不利于基础的重新冻结和后续工作的开展。考虑到10月后外界气温逐渐降低,因此,10月至次年1月可以作为多年冻土区锥柱基础的最佳施工期。     

1976—2010年青藏铁路沿线多年冻土区降水变化特征

针对青藏铁路穿越的多年冻土区段,利用沿线多年冻土区的五道梁、风火山、沱沱河、安多气象站1976—2010年35a的降水量观测资料,并结合同时期地面温度和气温资料,对多年冻土区区域气候变化进行分析,揭示了多年冻土区近35a来降水、地面温度、气温都在波动中上升的变化特征．结果表明：近10a多年冻土区处在丰水期,多年冻土区气...     

全球多年冻土与气候变化研究进展

多年冻土热状态和土壤季节冻融过程的变化对陆地生态系统、地-气间温室气体交换、水文和地貌过程以及工程基础设施的建设和运行都具有很大的影响。活动层和多年冻土及其变化数据信息对于验证在不同尺度的陆面过程、水文、生态和气候模型至关重要。本文就目前全球多年冻土与气候变化研究现状进行概括性总结。在全球变暖的影响下,全球范围内多年冻土发生了不同程度的退化。自20世纪70年代末以来,北极高纬度低温多年冻土温度升高可达3℃。由于受相变潜热的影响,在不连续多年冻土区相对较高温度的多年冻土温度增加幅度较小。受局地条件的影响,个别站点多年冻土温度几乎没有发生变化,甚至有降温的趋势。高纬度多年冻土南界向北移动,而中纬度高山地区多年冻土下界向高海拔移动,导致全球多年冻土面积减少。活动层厚度变化具有较强的区域差异,其深度增加范围从几厘米到1m多不等。新的融区在形成,融区厚度在增加且其范围在扩大。导致全球范围内多年冻土温度升高、活动层厚度增加以及融区的形成主要是受气温升高和积雪条件变化所致。未来多年冻土研究应包括不同时-空尺度上的长期监测和数值模拟、多年冻土变化与大气、水文、生态系统、碳循环以及地貌过程的相互作用等方面。     

青藏高原可可西里卓乃湖溃决出露湖底多年冻土形成过程的监测与模拟

利用可可西里卓乃湖综合监测场获取的气象、地温等数据资料,分析了卓乃湖溃决后出露湖底融区冻土的形成过程。结果表明卓乃湖溃决后的三年时间里,多年冻土下限深度分别达到4.9 m、5.4 m、5.7 m,呈现出不断增长的趋势。利用Lunardini构建的冻土形成过程模型模拟了多年冻土的形成速率和形成过程,并在此基础上初步分析了地表温度和土壤含水量对研究区多年冻土形成速率的影响。模型模拟结果显示研究区多年冻土将继续增长,多年冻土的形成速率呈现先快后慢的增长趋势并最终达到稳定状态。地表温度和土壤含水量是影响多年冻土形成的重要因素。随着温度的降低,多年冻土的形成速率逐渐加快。当地表温度不变时,在多年冻土形成初期,岩土含水量越小,多年冻土的形成速率越快。     

青藏高原多年冻土活动层厚度对气候变化的响应

活动层厚度变化将会对多年冻土区生态系统、地气间能水平衡和碳循环等产生重要影响。利用Stefan公式模拟了1981-2010年青藏高原多年冻土区活动层厚度的分布和空间变化特征。结果表明：多年冻土区活动层厚度平均为2.39 m,活动层厚度在羌塘盆地最小,在多年冻土区边缘、祁连山、西昆仑山、念青唐古拉山活动层厚度较大。在气候变化条件下,青藏高原多年冻土区活动层厚度呈整体增大趋势,在1981-2010年,活动层厚度的变化量为-1.54~2.24 m,变化率为-5.90~10.13 cm·a^-1,平均每年变化1.29 cm。活动层增厚趋势与年平均气温增大的趋势基本一致,这说明气候变化对活动层厚度变化有很大的影响。     

温度对季节性冻土水分迁移的影响研究

寒区季节性冻土冻胀性质对工程实际影响很大。为了了解温度对水分迁移现象的影响,本文通过地温测试仪对野外不同深度处的土层温度进行测量,并在不同时间相应深度取土样,测其含水率,通过比较不同时间不同深度处的含水率的变化情况来分析温度变化对水分迁移现象的影响。在气温回升之前,当地表温度降低时,温度随深度的降低而升高;随着地表温度不断降低,各深度处的温度也不断下降,温度梯度增加,各深度处地层的含水率变化大,即温度梯度的增加促进了季节性冻土区水分迁移现象的发生。     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程及水分变化

利用黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心综合实验观测场2011年11月-2012年4月整个冻结融化期的实测野外黑土耕层土壤温度和水分数据, 对中-深季节冻土区黑土耕层土壤冻融过程中冻结和融化特征分阴、阳坡进行了分析, 研究了冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 并探讨了降水对不同深度耕层土壤含水量变化的影响. 结果表明:黑土耕层土壤冻结融化过程分为5个阶段, 历时164 d, 约5.5个月. 阶段I, 秋末冬初黑土耕层土壤开始步入冻结期; 阶段II, 黑土耕层土壤整日处于冻结状态, 阴坡比同样深度的阳坡土壤温度低; 阶段III为黑土耕层土壤稳定冻结期; 阶段IV, 黑土耕层土壤步入昼融夜冻的日循环交替状态, 冻融循环的土层逐渐向深部发展, 阳坡比阴坡融化得更深、更早, 阴坡比阳坡经历冻融循环次数更多; 阶段V为稳定融化期, 在融化过程不存在冻融交替的现象, 直到整个冻层内的土壤全部消融. 各深度位置阴坡土壤温度的最高值出现时间比阳坡晚约0.5 h. 经过整个冻结融化期后, 阴、阳坡各层土壤含水量均大于冻结前, 阴坡土壤含水量比阳坡整体偏低. 在整个冻结融化期, 阳坡地下1 cm、5 cm、10 cm 及15 cm处含水量最大值出现在地下5 cm; 阴坡的含水量整体趋于平稳且在融化期受降水影响明显.     

不同地下水补给条件下非饱和砂壤土冻结试验及模拟

为研究土壤冻融过程中不同地下水位对土壤的补给规律,在室内进行了两组不同地下水边界条件下的土柱冻结试验: A组无地下水补给,土柱高度60cm;B组地下水维持在距土柱表层60cm深度处。土壤在冻结过程中水分及盐分均呈向上运移趋势,稳定浅地下水补给会加剧水分及盐分向上运移,造成上层土壤盐分的聚积,影响土壤剖面的热量平衡,引起剖面温度的重新分布,从而减缓冻结锋的推进速度。运用HYDRUS-1D冻融模块对不同地下水埋深（0.5m,1.0m,1.5m,2.0m,2.5m）情况下冻结过程中水分运移规律进行了模拟。模拟结果表明:累积补给量在埋深小于1.5 m时随埋深增加而有所增加,而当地下水埋深大于1.5 m时,累积补给量随着埋深增加而有所减小,甚至保持不变。     

新疆北疆地区季节性冻土结冻过程与日积温的关系

传统的度日因子模型很难分辨在结冻期土壤每日结冻和解冻的过程,而日小时积温可以区分正积温和负积温对土壤冻结过程的影响.利用北疆地区1951-2010年气象站数据和决策树算法,分析计算日小时积温及表层5cm和10cm土壤冻结状态数据及日小时积温对季节性冻土冻结现象的影响.结果表明:在北疆范围年小时正积温以每年平均160℃增长,而年小时负积温以每年平均153℃减少.季节性冻土发生冻结现象所需的临界值分布与北疆地区气候和土壤分布基本一致,但仍存在空间差异性.北疆地区5cm土壤结冻所需的日小时负积温为-50℃以下,而5cm到10cm土壤结冻所需日小时负积温的平均值差值为-15℃左右.与日最低气温和日平均气温作为土壤结冻判据相比,日小时积温临界值作为判据可获得较高的精确度.在昌吉地区和阿勒泰地区冻土的平均深度随着日小时负积温临界值的增加而减少.     

季节冻土区黑土耕层土壤冻融循环期湿度与温度变化研究

在黑龙江省水利科学研究院水利试验研究中心的综合实验观测场, 利用2011年11月-2012年4月一个冬季冻融循环期的实测黑土耕层剖面土壤湿度和温度数据, 对典型中-深季节冻土区黑土耕层土壤湿度与冻结融化期土壤温度变化进行研究. 根据阳坡的黑土耕层土壤浅层1 cm、 5 cm、 10 cm及15 cm四种不同深度, 对冻融循环过程中土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化特征进行分析, 研究黑土耕层土壤冻融过程中不同深度土壤水分的变化情况, 了解降水和温度对不同深度土壤湿度变化的影响. 结果表明: 在北京时间08:00、 14:00及20:00, 阳坡15 cm、 10 cm、 5 cm及1 cm深度黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化的线性相关可决系数分别为0.9298、 0.9216、 0.5989、 0.7281, 斜率平均标准偏差分别为0.017、 0.019、 0.095、 0.056, 截距平均标准偏差分别为0.17、 0.25、 1.31、 0.83. 阳坡10 cm及15 cm深度的黑土耕层土壤湿度随冻结融化期土壤温度变化呈十分显著的线性相关关系. 阳坡5 cm深度的黑土耕层土壤湿度在冻结融化期与土壤温度变化线性关系稍微显著. 在整个冻结融化期, 因受太阳辐射、 降水及蒸发的强烈影响, 阳坡浅层1 cm深度黑土耕层土壤湿度与土壤温度线性相关性不如10 cm及15 cm深度的关系显著, 但比5 cm深度的关系显著.     

1961-2002年新疆季节冻土多年变化及突变分析

对新疆41 a(1961/1962-2001/2002年)冬季平均冻土深度、最大冻土深度、土壤10 cm深度封冻时段资料分析表明,随着全疆气候的变暖,各地的平均冻土深度、最大冻土深度趋向变浅,土壤封冻时间缩短.尤其是1986年以后,暖湿化特征十分明显,冻土深度和封冻时间变化更为显著.最大冻土深度南、北疆分别在1982/1983年和1986/1987年冬季发生了明显的突变.     

冻融和非冻融条件下包气带土壤墒情垂向变化的试验与分析

冻结层的存在使得寒区有着与非寒区差别明显的水文循环过程,土壤冻融规律、水热盐运移、融雪水入渗等已成为众多学者的研究对象. 寒区低温条件下冻融土壤持水性质与非冻融土壤不同,其包气带冻结层往往具有弱透水性、蓄水保墒和隔热减渗的作用,使得寒区春季冻结层土壤的墒情较高. 以冻融土壤和非冻融土壤墒情对比监测为基础,选取地表以下100 cm的土壤为研究对象,在黑龙江大学呼兰校区设置冻融和非冻融对比监测试验场,同时段、同频率、同埋深（间隔 20 cm土层）进行土壤结构、水热及环境参数监测. 通过对比分析了不同埋深不同冻融阶段的墒情参数,量化了低温冻融条件下土壤墒情较非冻融土壤的高出部分,最后对冻土保墒的机理进行探讨与分析. 结果表明：冻结条件下土壤水分重新分布,在土水势的作用下由非冻结区向冻结区迁移. 初冻期地表土壤墒情达到最大,冻结期土壤最大墒情值随冻结锋面迁移分别在20、40、60 cm处达到最大,稳定冻结期和融化初期在80 cm处达到最大;土壤最大墒情值一般在冻结锋面前沿的10～20 cm处,较好地保持了土壤水分. 无论是从空间（不同埋深）还是时间（不同冻融阶段）角度分析,冻融土壤含水率均大于非冻融土壤,二者含水率的差值随埋深和冻融阶段的推移而加大,在稳定冻结期80 cm处达到最大,差值量可达6.4%～7.8%.     

水泥改良土杯型冻土壁融化温度场三维数值模拟

为掌握水泥改良土杯型冻土壁的解冻规律,以南京地铁10号线过江隧道盾构出洞水平冻结加固工程为例,对水泥改良土杯型冻土壁融化温度场进行了三维数值模拟,并研究了导热系数、比热容、相变潜热等因素变化对融化温度场的影响规律。结果表明：冻结水泥土解冻速度受初始温度影响较小,受冻土位置影响较大;解冻过程中,冻土壁外侧1 m处的非冻结土温度先降后升,冻土壁外侧3~7 m处土体温度始终呈下降趋势;随着导热系数减小、相变潜热增大、比热容增大,解冻时间延长;比热容对冻结水泥土解冻过程的影响主要体现在升温阶段,相变潜热主要影响冻土相变阶段,导热系数既影响升温阶段又影响相变阶段。     

季节冻土地区路基冷阻层温度场效应

为研究季节冻土地区冷阻层的路基温度场效应,基于ANSYS软件热分析原理,以粉煤灰土、橡胶颗粒改良粉煤灰土和聚丙烯纤维改良粉煤灰土3种冷阻层材料为研究对象,模拟季节冻土地区道路路基温度场,研究其阻止热量交换的效果。结果表明：采用粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为1.32 m,温度梯度最低值为-17.606℃/m;采用橡胶颗粒改良粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为0.94 m,温度梯度最低值为-23.563℃/m;聚丙烯纤维改良粉煤灰土为冷阻层的道路的最大冻深为1.20 m,温度梯度最低值为-19.557℃/m。橡胶颗粒改良粉煤灰土冷阻效果最佳,其确保路基土处于零上温度不冻结状态的最小摊铺厚度为0.33 m,适宜作为季节冻土地区的冷阻材料。     

f中氡非稳态运移实验模拟

根据壤中氡非稳态运移模型,通过设计实验,采用自行研制的土壤连续测氡仪,对某地下0.28 m和1.4 m深度处氡浓度进行测量,得到实验数据并拟合图形。研究结果表明,非稳态条件下壤中氡浓度受压强和温度影响随时间呈现周期性变化。氡浓度与压强变化趋势相反,与温度变化趋势一致;温度对氡运移比压强对氡运移的影响大。根据理论值和实测值的拟合情况,平均浓度误差在0.28 m处为-2.01%、在1.4 m处为-8.59%。实验成果表明,理论公式可以用于氡的运移与分布状态的研究。