多年冻土区桩基温度场研究

为了解决多年冻土区桥梁桩基浇筑混凝土对冻土层地温的影响,把握后续工程施工,需要对多年冻土区桩基温度场进行认真分析与研究。结合冻土桩的特点,根据冻融循环条件下土体热量迁移的基本规律,基于多孔介质和热力学理论,建立了多年冻土区桩基温度场控制方程。该控制方程不仅包括了热传导和相变潜热对温度分布的影响,而且考虑了混凝土水化热的释放规律,并将研究成果与的西藏某大直径灌注桩温度场现场试验结果进行对比分析。结果表明：所建立的冻土区桩基温度场控制方程计算结果与实测结果吻合较好。在此基础上,应用该模型作数值分析,着重分析了不同深度处桩侧土层温度随时间变化规律和混凝土浇注后不同时期温度沿桩径方向的变化规律,于解决西部多年冻土地区公路运营安全和行车性能,准确掌握多年冻土地区已建桥涵和新建桥涵基础稳定性,具有非常重要的理论和实际意义。     

改进的无网格法及其在冻土区桩基温度场中的应用

采用带权正交基函数对传统的无网格法中的基函数进行了改进,避免了计算过程中可能出现的矩阵不可逆情况,而且编程容易实现且计算效率高。并将其应用到冻土区桩基包括了热传导和相变潜热的温度场中,同时考虑了混凝土水化热释放对桩周冻土的影响,将计算结果和有限元计算结果及现场实测数据进行了比较分析,从趋势和最大数值看都反映了实测曲线的趋势,又把不同深度处桩侧和不同桩径处温度随时间的变化规律计算结果和有限元计算结果做了对比,都验证了该方法的可行性和优越性。     

多年冻土区桥梁工程钻孔灌注桩温度场研究

针对多年冻土区钻孔灌注桩施工中混凝土水化热对冻土温度扰动问题,以青藏公路214沿线查拉坪旱桥桩基为实例,结合桩基施工完成后现场地温观测数据,进行了钻孔灌注桩水化热对桩周土体温度的影响研究,并分析桩周土回冻过程中地温场的变化规律.结果表明：混凝土水化热对距桩0.6 m与0.9 m处冻土温度影响较大.距桩2 m的测温孔温度曲线受混凝土水化热的影响较小,可以忽略.桩基施工完成后33天后桩侧开始出现负温,119天后桩侧各土层均降至负温,134天后桩侧土形成稳定冻土,201天后桩侧各土层温度与天然孔较接近.     

青藏高原冻土区路面类型对路基温度场影响的非线性分析

采用焓模型, 建立含相变的冻土路基温度场, 综合考虑气温、太阳辐射、风速风向、坡面蒸发等气象因素, 将诸多气象因素归结为第二、三类边界条件的叠加组合, 对不同气温地区的沥青路面及水泥路面路基温度场进行了有限元计算. 结果表明: 路面类型对冻土路基温度场有着重要影响, 水泥路面的采用可有效地降低路面温度, 延缓冻土上限下降速率, 从而可以有效保护基底多年冻土; 从对基底冻土上限影响的角度来看, 路面类型、外部气温与路基高度三者间存在一定的动态等效关系.     

青藏铁路多年冻土区站场路基温度场试验研究

站场路基的宽度为单线普通路基宽度的两倍。结合青藏铁路试验工程观测数据 ,分析了站场路基地温场及多年冻土人为上限的特征 ,探讨了路基的冻结和融化过程的规律 ,阐述了多年冻土区路基的稳定性问题。     

高原多年冻土隧道施工温度场控制的主要因素

施工温度场的控制对于多年冻土隧道的施工有着重要的意义。结合青藏铁路昆仑山、风火山隧道的设计与施工，通过对施工过程中环境温度的测试，综合分析冻土稳定、混凝土施工、施工人员及施工机械等各方面的因素对施工环境温度的要求，提出了适合于青藏铁路高原多年冻土隧道的施工环境温度控制范围。     

青藏铁路块石气冷结构路堤下冻土温度场变化分析

基于青藏铁路沿线多年冻土区温度监测断面,选取了不同冻土分区中的8个块石路堤结构(块石路基、块石护坡、块石路基加块石护坡)断面,对其下温度场的变化分析研究.结果表明:经过2~3个冻融循环后,块石结构路堤下冻土上限已抬升了1.4~5.3 m,说明块石路堤结构已起到了积极调节下伏冻土温度的作用.结果也显示,在上限抬升的同时,其下部的冻土地温也在升高,但是这种过程已逐渐被块石路堤结构的降温所抑制,而这种抑制程度受控于不同的冻土区域.在不同的冻土分区中,无论是何种形式的块石路堤结构,其降温趋势是不同的.Ⅳ和Ⅲ冻土区块石路堤基底的负温积累比较明显,而I和Ⅱ区的较弱.     

多年冻土区管道通风路基温度边界条件及温度场实测研究

管道通风路基在多年冻土地区是一种良好的主动保护冻土工程措施,但在应用数值方法研究其长期效果中,对边界条件的选取存在着困难,已有的计算结果也缺乏实体工程的验证.基于青藏铁路北麓河实体试验工程,对通风管中气温以及管壁温度进行了分析和拟合.结果表明:通风管中气温年平均值普遍高于环境气温,平均高出1.6~1.8℃,但在正温期管中气温与环境气温的最高值相差不大(<1℃),而负温期相差较大(达到2℃);路基阳坡面下0.5 m深度地温高于阴坡面3.5~5.5℃.普通路基填筑后在抬升多年上限的同时,也升高了上限附近的地温,且地温场在整个范围内表现出横向上显著的不对称性.通风路基可以对下伏多年冻土起到良好的主动保护作用,表现为冻土上限的抬升和地温的降低.但通风管埋设位置较高的情况下,路基地温场横向不对称范围涉及到原地面以下.降低通风管的埋设高度的情况下,边坡面换热导致的温度横向不对称范围被限制在通风管以上的土体中,而下部土体温度场横向不对称性将得到极大改善.     

多年冻土区铁路通风路基室内模型试验的温度场特征

根据多年冻土区铁路通风结构路基室内模型试验的研究, 分析了模型路基典型部位的温度随时间的变化情况, 及整个路基3个典型断面在冻结期结束和融化期结束时的温度场特征. 结果表明: 路基底部温度变化与气温变化趋势不一致; 路基上部温度变化与气温变化趋势一致, 但存在滞后现象; 沿着风向方向, 在冻结期, 路基温度分布比较对称, 但在融化期, 就形成不对称分布; 除了在通风管中部上方小部分有明显不同外,通过通风管中心轴断面的温度场特征与两通风管间断面的温度场分布特征在同一时刻是相似的.     

渗流对多年冻土区路基温度场影响的数值模拟

运用传热学理论和渗流理论导出了路堤侧向有地表积水入渗情形下,多年冻土区路基温度场渗流场耦合作用的控制微分方程,然后以现场观测资料为基础,用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元方法对青康公路（２１４国道）花石峡冻土研究站１号试验路段路基温度场未来可能的变化状态进行了数值预报。结果表明,若无渗流作用,５ａ后路堤左侧天然地表、路堤堤身和路堤右侧天然地表的最大季节融深分别为１．４ｍ,３．２ｍ和１．４ｍ;若有渗流作用,则     

多年冻土地基正温输气管道地温场实测及分析

我国有多条油气管道位于多年冻土地区,工程问题层出不穷。因输送介质处于正温状态,其所释放热量对管道周围冻土冻融过程有极大影响。为阐明正温管道对多年冻土温度场及冻融特征的影响,基于西部某多年冻土区正温输气管道现场实验,对管道地基温度场进行了为期1年的现场实测。数据分析表明,多年冻土天然上限为1.5~2.0 m;土体融化期及冻结期分别为6-10月、11-次年5月;监测段多年冻土热量收支基本平衡,属于不稳定冻土,在外界热扰动下极易退化;正温输气管道的存在引起了多年冻土的退化且对其温度场有很大影响,水平方向影响范围约1.5 m,管下最大融深可达7.0 m。同时指出了针对处于临界状态的多年冻土,在基于对其全面、深入了解的基础上,越早考虑相关工程建设带来的热扰动对多年冻土的不利影响,则处置难度越低且损失越小。     

混凝土的入模温度和水化热对青藏直流输电线路冻土桩基温度特性的影响

施工过程中混凝土的入模温度和水化热对多年冻土区桩基施工期间的热稳定性具有重要影响. 针对该问题,利用有限元方法定量研究了±400 kV青藏直流输电线路冻土区锥柱基础入模温度、水化热和含冰量对桩基回冻过程、温度场变化和桩底融化深度的影响规律. 结果表明：水化热影响下,桩基中心温度在第3天达到最高,桩底滞后1 d,基坑表面受其影响较小,主要受环境温度影响;第24天,桩底出现最大融化层,随着入模温度增加,融化层厚度相应增加,入模温度为6℃时融化层厚度为34 cm,15℃时为55 cm;入模温度越高,回冻时间越长,当入模温度为6℃时,完全回冻需经历52 d,15℃时,回冻时间将增加7 d. 含冰量对桩底融化深度有影响,含冰量越大底部融化深度越小;冻土年平均地温是影响桩底融化深度的重要因素,少冰高温（-0.52℃）、低温（-1.5℃和-2.5℃）冻土条件下,最大融化层厚度分别为38 cm、34 cm和25 cm. 基于上述结果,在多年冻土地区的桩基工程,建议混凝土入模温度为6~8℃,底部碎石垫层至少40 cm.     

上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析

以玛多地区多年冻土为背景,建立多年冻土地温场的数值计算模型,以不同的方式考虑近 60 a 来的气温变化构成不同的上边界条件,通过模型计算分析不同上边界条件下的不同时期温度场、未来冻土退化特征.结果表明：在上边界条件中采用气象站实测近60 a波动温度值和采用近60 a平均恒定值时,浅层冻土地温差异明显,且越浅层地温与越近时间的上边界条件相关.预测未来100 a冻土地温变化趋势发现,相同升温速率和升温初始温度条件下,上边界采用实测60 a波动温度值对冻土退化过程影响较小;升温初始温度值提高到与趋势线衔接后,冻土退化起始时间从约第45年提前到约第20年;60 a实测温度和升温初始温度值均提高到与其初始温度场上边界条件衔接后,冻土退化起始时间从约第20年提前到约第15年;冻土退化从开始到完全退化经历时间为25 a左右.     

多年冻土区桩基竖向承载力的预报模型

通过多年冻土区大气温度与地温关系,得出季节冻结期和季节融化期地面温度,进一步确定季节冻结及季节融化深度。综合地面温度得出多年冻土厚度随时间变化的关系,将大气温度、地面温度、融冻层厚度及多年冻土厚度变化建立起与时间相关的联系方程。考虑大气温度变化分析桩土相互作用并建立桩土相互作用模型。综合联系方程、桩土分析模型及冻土地区建筑地基基础设计规范中的单桩竖向承载力公式,建立了联系大气温度、地面温度、季节融冻深度、多年冻土层厚度变化与桩基承载力的关系预报模型,为预测在设计使用年限内随着大气温度变化桩基的工作状况提供较为科学的依据。     

高海拔、高寒区、冻土隧道洞内施工环境控制技术

青藏高原腹地的青藏铁路风火山和昆仑山隧道,近5 000 m海拔的高原缺氧和严寒恶劣气候,以及多年冻土不良地质,使施工作业人员生命与健康、冻土保护和隧道质量问题严重。通过创建洞内施工环境流体温度场和冻土围岩温度场理论和温度场计算模拟,研制和使用施工通风与供暖一体化机组、制氧与供氧系统、监测与控制系统,实现了洞内气温、空气质量的全面控制,为两隧道的顺利建设提供了重要的技术保障和合适的工作条件。     

多年冻土热融滑塌的地温变化及滑坡过程分析

随着青藏高原工程强度的提高,冻土区斜坡稳定性成为工程建设必须面对和解决的问题,其中最为严重也是较难防治的斜坡失稳是热融滑塌.针对典型热融滑塌进行的温度监测资料表明,在滑塌的影响下,其下多年冻土地温年变化幅度趋小而年平均地温升高,导致产生这一现象的原因在于每年进入多年冻土的冷能有所降低.滑坡溯源侵蚀范围监测资料表明,滑塌范围的扩展随地温的周期变化波动进行,并主要集中在7～9月,最大扩展范围出现在沿坡体倾向方向.热融滑塌的产生与多年冻土条件和外因力的诱发关系密切,工程治理要考虑引起滑坡消亡的基本条件.     

青藏铁路多年冻土区桥梁桩基础地震响应的试验研究与数值分析

基于对负温条件下青藏铁路高温不稳定多年冻土区桥梁桩基础的缩尺模型振动台试验,明确了动荷载作用下模型桩-土界面和两桩中间土体存在温度升高响应。在此基础上,考虑天然状态和地震荷载作用下地温升高两种条件,运用动力有限元方法,对青藏铁路清水河特大桥桩基础进行了地震响应分析。计算表明,在高温状态下(-1℃以上),多年冻土的地基及桩基础在地震荷载作用下的动态响应对温度的升高异常敏感;在50年超载概率2%的青藏人工波作用下,因桩基础的相对位移增大了地基与桩基础间的滑移、脱离现象,特别是高温状态下地基与桩基础间的变形出现了明显的不稳定滑移,影响了整个桩基础的稳定性。