冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究进展

随着冻土地区基础设施建设加快,冻害已成为寒区工程建设中迫切需要解决的问题.造成冻害现象的主要原因是土体的冻胀和融沉,而冻融过程受控于土体温度场、水分场、应力场及其变化规律.深入开展水热力耦合作用机理的研究对解决实际工程冻害问题具有重要的指导意义.对国内外在水热力耦合作用机理、耦合作用方程方面的研究进行了综评,指出了各种研究结果之间差异、不同冻胀模式建立的依据、研究方法以及适用条件,分析了目前冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究中存在的问题,提出了今后研究发展的方向.     

带相变瞬态温度场问题的扩展有限元解析

带相变瞬态传热问题是寒区工程多场耦合问题求解的关键.在剖析常规有限元法在求解带相变瞬态温度场问题的不足的基础上,结合冻土冻融温度变化的特点,提出采用扩展有限元法求解冻土工程带相变瞬态传热问题的新方法,以四边形单元为例推导了冻土工程温度场的求解格式,详细剖析了瞬态传热过程中移动界面水平集函数的构造、单元刚度矩阵的形成及高斯积分的求解.据此编写了相应的扩展有限元程序,通过经典Stefan问题全面验证了程序的正确性与合理性.     

青藏铁路冻土区土体冷生过程对路基变形影响

一般地区路基土体变形主要受土体压密过程控制,青藏铁路冻土路基变形则主要是受土体冷生过程影响和控制。通过对填土路基修筑后土体冷生过程以及工程实测数据分析,指出冻融过程不同阶段冻土路基变形与土体冷生过程有着密切关系。认为控制填土路基冷生过程稳定时间和填土路基地温场形态,是减少冷生过程和铁路长期运营过程中路基变形、保证冻土区路基工程长期稳定性的有效途径。此认识已经在青藏铁路冻土区路基工程建设实践中得到证明。     

土体冻融特征研究现状与展望

冻土中水分迁移是导致土体冻胀的关键因素,而研究水分迁移及其驱动力的核心问题是要充分理解未冻水含量与温度、基质吸力等变量之间的关系,这些关系可充分体现土体在冻融过程中土水变化特征。长期以来,对土体冻融特征的研究采取的是与非饱和土力学中的土水特征类比的方法进行,结果也证明了二者存在一定的相似性。但是冻土中因冰-水相界面作用产生基质吸力与融土中水-气相界面作用产生基质吸力的机理并不完全相同,而由于相变等其他作用产生的冻融滞后效应与融土中孔隙“墨水瓶效应”等引起的滞后效应机理也有区别。针对这些机理性的不同,还需要做大量的研究工作才能真正揭示土体的冻融特征。通过对目前土体冻融特征方面研究进展和存在问题的归纳总结,笔者认为今后在这方面还需深入开展如下研究：建立适合各类土壤冻融特征的一般预测模型,使得在缺少数据条件下能快速获取所需土样的冻融特征;研究土体在冻融和干湿变化过程中存在的类似性及区别,对冻融过程中存在的滞后效应机理给出合理的解释;提升冻融特征变量的测试技术水平,研发高精度的相关仪器设备。     

多年冻土边坡的水热力耦合分析及软件开发

为了快速准确掌握多年冻土边坡的冻融反应规律,基于水热力耦合理论,依托MATLAB编制了能反应土体多场耦合机制的有限元程序,与经典试验对比吻合较好,验证了程序的可靠性。据此开发了一套可独立运行、操作简便的多年冻土边坡水热力耦合分析软件,介绍了软件的功能和开发过程。结合算例分析了冻融作用下冻土边坡的反应特性,结果表明:不同时刻边坡的温度、水分、应力和位移有明显差别,在坡面冻融交界面出现剪应力最大值条带,边坡水平位移在冻结完成时,沿坡面大小基本相同,融化期结束时为上小、下大,融化时边坡的水平位移、未冻水含量均比冻结时大,而剪应力最大值却小;暖季多年冻土稳定性较差,开发的软件对冻土边坡工程冻融计算有重要应用价值。     

土体水热力耦合问题研究意义、现状及建议

基于浅层土体水分场、温度场、应力场和位移场的相互影响,对水热力耦合问题在黄土、冻土、膨胀土、土壤学等领域的研究意义进行了阐述,并对水热力耦合在上述领域研究现状作了回顾和总结。进一步分析了水热力耦合作用机理性研究的不足,指出：通过水热力耦合作用机理性研究确定水热力耦合参数及变量,应是现时进行水热力耦合研究的中心问题。     

冻土水热力耦合研究现状及进展

开展冻土水热力三场耦合研究对解决寒区工程问题具有重要的理论指导意义。归纳了冻土水热力耦合的理论基础,认为目前的水分迁移驱动力假说仍然不能很好地解释水分迁移现象,分凝冰的形成机制及判据仍需进行深入的研究。分类和评价了常见的正冻土水热力耦合模型,发现流体动力学模型虽然能够很好地描述水热迁移现象,但未考虑非连续冰透镜体;而较复杂的刚冰模型虽然考虑了冻结缘内水热迁移耦合现象,但是参数众多;热力学模型从微观角度描述了冻土水热力并考虑孔隙吸力,但仍存在参数众多的问题。同时,对预融膜理论在冻土水热力耦合问题中的应用进行了分析和展望,认为可以借助预融膜理论对冻土水热力耦合中的能量、水分迁移驱动力以及迁移速率等进行描述。最后,基于冻土水热力三场耦合研究现状及存在的问题,提出了冻土水热力耦合研究的总体构想：研究与实际情况相符同时适用于稳态及非稳态的通用数学表达式,开展冻土物理学各个参数的动态变化研究,纳入非饱和土体在冻融过程中的水热力相互作用研究,实现水热力在真正意义上的耦合,同时,加强预融膜理论在大尺度、陆面过程以及水热边界等方面的应用研究。     

季节性冻土区地下水的变化规律及开发利用

土体冻融对地下水的储存及释放作用不同于非冻结土体情况下地下水的一般变化规律。因此,开展对季节性冻土区地下水变化规律的研究,将对更好地开发和利用本地区的地下水资源提供可靠依据。本文从分析冻融土体含水量变化的机理出发, 提出了开发利用融土潜流的主要途径。     

冻土离心模型试验相似准则分析

在研究土壤冻融问题时,土工离心模型试验在时间效应和应力全等型模拟方面更具优势。然而,目前关于冻土离心模型试验的研究成果较少,其中的相似准则也不够完善。针对这一现状,在充分考虑土体的水-热-力耦合作用过程的基础上,采用Butterfield量纲分析法确定了控制饱和土冻融变形性状的无量纲项,建立了冻土离心模型试验中孔隙压力、热扩散、未冻水迁移、融土固结以及冻融变形的相似准则。分析结果表明,冻土离心模型试验中未冻水迁移、融土固结及热扩散效应的非稳态时间具有统一的比尺,即离心模型是原型的1/N2倍,而未冻水迁移流速的比尺为离心模型是原型的N倍。此外,利用冻土离心模拟装置完成了一则对渠道基土冻融作用的离心模拟。     

土壤冻融过程中水流迁移特性及通量模拟

为研究季节性冻土在冻融过程中水热盐的运移规律,在野外开展了一维及二维冻土水热盐运移试验,并通过Br离子示踪法及建立冻土水盐通量计算模型对土壤冻融过程中水盐的通量变化特性进行了计算分析。基于Hangen-Poiseuille孔隙通量方程,耦合孔隙冰柱体对水力传导度的影响机理,提出了冻土水流通量模型。结果表明,冻结过程中,液态水在水势和温度梯度作用下在冻结锋处聚集,形成通量峰值,冻融过程中自地表和最大冻深位置分别向下和向上的融化过程中,一维与二维试验水流通量变化对比表明,冻融过程中水流通量受到中间层冻土和地下水顶托的影响。冻土通量模型能够有效地描述冻土中不同温度条件下水流通量特性,从微观的角度很好地解释了土壤冻结过程中冰水共存状态下土壤中水流通量变化规律。     

青藏铁路建设冻土工程问题的深入研究和实践

青藏铁路开工建设以来的冻土工程问题研究, 在综合以往冻土学研究成果基础上, 针对冻土区大规模工程实践对冻土和冻土环境的影响特点, 冻土和冻土工程之间相互作用本质, 用系统工程论的观点, 以工程变形为冻土工程问题研究的综合目标, 抓住冻土工程问题的热学机理本质, 用工程热力结构作为解决问题的主要手段, 取得很好的实践效果. 同时把我国冻土工程问题研究和冻土工程建设提高到一个新的水平, 为建设世界一流的高原铁路奠定了坚实的技术基础.     

Technical Challenges and Engineering Solutions for Gas Pipelines in Permafrost Regions: A Review

Oil and gas pipelines in permafrost regions differ greatly from those in temperate climate zones. People only know that these pipelines were constructed in remote areas with fragile environments. However, gas pipeline engineering, construction, operation and management will face a series of unique problems because of unforgiving environment, special hydrogeology, engineering geology, and freezing and thawing disasters. Being different from the Trans-Alaska Pipeline System, Roman Wells Oil Pipeline, China-Russia Crude Oil Pipeline from Mo’he to Daqing and Golmud-Lhasa Oil Products Pipeline, natural gas pipelines in permafrost regions face new problems and challenges in many areas including different transporting media, gas flow temperature control and environmental protection. This paper systematically reviewed issues such as chilled transporting processes, coupled hydrothermal-hydraulic-mechanical modeling of the pipe-soil system, temperature overrun in station outage scenarios, engineering constraints of stress-based design, single laying method and low reliability of monitoring system during operating stage. Initial framework solutions were proposed in the hope of identifying new approaches for gas pipeline in northern and upland permafrost regions.     

多年冻土工程地质制图的阶梯发展

多年冻土工程地质制图是区域和历史冻土学研究的基础内容之一.多年冻土工程地质制图是根据需要和制图原则,在特定时空尺度分析多年冻土特征,以及各种自然、工程、环境要素共同影响下的多年冻土属性的量化描述.多年冻土工程地质制图所解决的科学问题从多年冻土的分布、规律和格局、冻土功能,认识不断提高.制图的内容从研究多年冻土的基本要素...     

多年冻土区输油管道-管周冻土热力相互作用研究进展

冻土区管道工程建设面临冻土工程特性及相关地质问题的严重挑战,开展管道-冻土相互作用研究对于解决管道稳定性问题具有重要的实际指导意义。综述国内外输油管道-冻土热力相互作用研究进展发现,目前研究集中在特定（定值或周期变化）油温下管周土温度场的定量描述以及差异冻胀/融沉下交界面处管道力学响应规律的解耦分析,缺乏完整时空序列的现场综合观测与管土界面特性及其动态演化研究。对管道防融沉措施进行归纳总结发现,各措施应用效果缺乏管道应力与变形数据的有效支持。应加强管道本身与管道沿线次生冻融灾害监测及相关数据获取,以此为校验开展管土界面特性及演化规律的系统研究,以便构建更为合理的管土接触面单元模型,将其和具有普适性的冻土模型相结合,植入有限元软件提高管土相互作用模型计算可靠性,并建议立足管道变形角度对防融沉措施的工程应用效果予以综合评价。     

青藏高原开发中的冻土问题

在国家决策西部大开发战略之际, 正确评价青藏高原开发中所面临的冻土问题, 为生态环境建设和国民经济持续稳定发展提供依据, 显得更为重要。多年冻土占据着青藏高原一半以上的疆土面积, 受全球气候变化和人为活动的共同影响, 在过去的几十年中已发生了不同程度的变化, 且随着人类活动增强, 变化必将加剧, 冻土问题也将显得日益突出。多年冻土的变化主要表现为多年冻土的地温升高、上限下降和面积缩减等, 进而影响到各类工程的地基稳定性, 使工程建筑受到不同程度的破坏;同时, 由于气候变化、过度放牧和工程活动的影响, 地面水热状况改变, 尤其是地表土壤层中水分含量的降低, 导致了草场退化, 生态环境恶化。在分析这些冻土问题原因的基础上, 作者预测了在未来开发中可能出现的冻土问题, 并提出了建议。     

中俄原油管道沿线多年冻土环境及管道施工技术探讨

选取中俄原油管道沿线位于多年冻土区的漠河-乌尔其段为研究区域, 分析了管道工程对多年冻土环境的影响以及冻土退化所带来的一系列生态环境问题, 并研究了冻土环境变化对管道工程的影响. 针对冻土区管道工程施工的相关问题, 提出了不同施工迹地的施工方式及相对应的冻土环境保护措施: 施工作业带的清理;取弃土的处理;施工便道、伴行道的修建及不同地段施工便道与伴行路路基最小高度的确定;施工营地、料场的设计及布设;管沟开挖时基坑暴露时间的计算, 多年冻土区管道工程的施工等.中俄输油管道是我国首条通过多年冻土区的大口径原油管道, 研究结果可为中俄输油管道及今后寒区工程建设过程中的环境保护提供科学依据.     

青藏公路沿线多年冻土对气候变化和工程影响的响应分析

青藏公路沿线工程和气候变化影响下多年冻土变化监测表明,多年冻土对工程活动和气候变化的响应过程存在着较大差异,不同年平均地温的多年冻土使这种差异变得更为明显.分析结果表明:气候变化下低温多年冻土变化要大于高温多年冻土,工程状态下低温多年冻土变化要小于高温多年冻土;气候变化引起的低温多年冻土变化要大于工程对其的影响,而高温多年冻土正好相反.造成这一结果原因主要是由于在工程建设完成初期,相对于气候影响,工程作用对多年冻土的影响具有放大作用,这使得工程状态下多年冻土对气候变化基本没有响应.按照气候影响下多年冻土温度年变化速率来推测,低温多年冻土表面温度升温到工程状态需要50a左右时间,高温多年冻土需要20a左右.6m深的低温多年冻土温度升温到工程状态需要20a,高温多年冻土仅需要5~8a.     

多年冻土区线性工程的生态环境影响研究现状与展望

在多年冻土区,线性工程（公路、铁路、输油管线、输电线路等）的修建和运营对沿途周边的冻土热状态、土壤理化性质、水文过程以及陆面过程产生显著影响,生态环境发生明显改变并对冻土的工程稳定性产生显著影响。冻土工程作用下的生态环境变化是冻土学近年来研究的热点之一,通过文献综述,对冻土区线性工程的主要特征,以及近几十年来工程影响下冻土环境和植被变化研究进展与现状进行了总结和归纳,在此基础上,探讨了多年冻土区工程建设存在的主要生态问题。目前,生态环境各要素对工程的反馈研究十分丰富,但是生态环境要素与工程相互作用的机理、过程的研究还需完善。在以后的研究中应重点拓展有效的监测手段,为冻土区生态环境监测和研究服务;同时,在深入理解寒区工程建设对生态环境作用机理、过程基础上,积极开展冻土区工程环境容量阈值评估以及生态环境变化预测研究,为寒区大规模工程建设与生态环境和谐发展提供理论支持与对策建议。     

青藏铁路北麓河试验段冻土工程地质特征及评价

冻土问题是青藏铁路建设的难题之一,为良好的解决这一问题,详细了解线路通过地区的冻土工程地质特征并对其做出工程地质评价至关重要.在目前完成的青藏铁路北麓河试验段的冻土勘察工作表明,该试验段的土层以富含厚层地下冰的细粒土为主,试验段地下水丰富,全段高温与低温多年冻土都有分布,冻土上限深度一般为2～3m.综合上述特征,该试验段综合评价为不良和极差冻土工程地质地段.在类似地区进行铁路建设,工程措施设计和采用中要充分考虑冻土工程地质特征,否则可能导致工程建设的隐患甚至所采取工程措施的失败.     

青藏高原冻土工程地质特性与选线原则探讨

青藏500kV直流联网工程穿越青藏高原多年冻土区,冻土特有的工程问题将对工程设计、施工和安全运营产生重要影响。由于输电线路属于点线结构的工程特点,即塔基的稳定性关系到整条线路的稳定性,而塔基点位又具有一定的可调性,因此,多年冻土及厚层地下冰的分布特征对于输电线路的选线、选位较其他线性工程更具重要意义。本文主要在输电线路沿线冻土分布的基础上,重点对微地貌条件下冻土和厚层地下冰的分布发育规律进行了分析和研究。并在此基础上,结合输电线路工程特点,就线路的选线选位的原则进行了分析和确定。