中粗砂换填地基的防冻害效果

目前,防冻害的措施有两类,一是增强建(构)筑物抗冻胀、融沉的变形能力;二是减少作用于基础冻胀力。前者在于加强建(构)筑物的刚度和强度,使冻胀、融沉产生的变形量控制在结构允许的限度之内;后者则在于采用化学方法及地基土的保温、加密和换填等措施,以减小作用于基础的冻胀力。但迄今为止,尚缺乏防冻害措施效益的定基数据。由此,设计者在选用某种防冻害措施时,往往难以决断。为了获取基础防冻害的定量数据,我所自1982年以来,在强冻胀性土区的阎家岗试验站,进行了中粗砂换填地基的防冻害效益试验。应该指出,该试验结果仅适用于冻结期地下水位低于冻层低面的地区。     

抗冻害建筑物的总体布置与结构形式

黑龙江省木兰县冬季最低温度达-40℃,最大冻深2米。小型水工建筑物普遍而严重地遭受冻害。多年来为防冻害我们采取过一些措施,如广泛采用大基础深基础,采用大断面的重力式结构等方法,实践证明,这样做在某种程度上可以防冻害。大量实践表明,建筑物的总体布置是否适应抗冻性,是北方地区建筑物设计中极为重要的问题。以下就简化总体布置及结构形式中的一些体会分述之下。     

季冻土区临水轻台结构冻拔特征分析及防治

为探索季冻土区临水轻台结构冻拔冻害破坏机理,测试套筒防冻拔冻害技术的有效性,以长春某临水轻台群为研究对象,选择基土自然冻胀轻台结构与装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构相对比,用精密水准仪观测二者的寒期竖向位移动态。结果表明：基土自然冻胀轻台结构出现了冻拔位移冻害,各观测年冻拔位移曲线随气温均呈"半驼峰型"姿态发展,对应观测年的持续降温-持续低温-持续升温-正温时段,冻拔位移呈下降-上升-下降-稳定的变化特征;冻土的冻拔力推动轻台桩上拔引发冻拔位移冻害。观测装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构发现,其竖向位移长期在±5 mm的小位移区间平位波动,比自然冻拔轻台结构的平均冻拔位移减小了98%,表明套筒装置隔离了冻拔力对轻台结构的冻拔作用,冻拔位移冻害被有效遏制。勘验装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构,未发生"错动""台板拉裂"等典型冻拔位移冻害,印证了套筒防冻害装置对防治轻台结构冻拔位移冻害有实效。     

寒区冬季输水渠道冻胀破坏机制与防治--以新疆乌什水水库引水渠为例

额敏县乌什水水库引水渠位于新疆北部，地基基础属季节性冻土。冬冻夏融，呈季节性变化。冬季输水受渠道渗漏影响，沿渠道两侧形成上层滞水的季节含水层。每年冬季降温期间，渠道砼板在冻结层冻胀力和渠水表层冻结冰的冰撑力综合作用下遭受冻胀破坏，严重威胁季节性冻土区渠道输水安全。通过对水工建筑物冻害调查、研究、观测，提出如下综合防治方案：选择防渗措施，减少渠道渗漏；夯实渠道基础，置换下垫土石；采取保温措施，抵御冻胀破坏；改变设计结构，提高抗冻害能力。     

基于广义Winkler弹性地基梁理论的梯形渠道冻胀力学模型

寒区渠道衬砌冻胀破坏现象普遍,而渠道的防冻工程设计大多依赖工程实践经验和定性认识,具有一定的随意性和盲目性,对衬砌结构所受的冻胀力计算缺乏简明、合理的方法。考虑冻土与衬砌的相互作用和冻土地基的连续性,基于广义Winkler地基梁理论并结合有限差分法,推导了渠道衬砌板冻胀挠曲线微分方程,建立了梯形渠道冻胀力学模型,给出了衬砌渠道法向冻胀力及切向冻结力的计算方法。同时,考虑渠道衬砌冻胀破坏的极限承载力以及冻胀过程中坡脚上抬位移对实际冻胀力的削减和释放效应,避免了冻胀力及衬砌结构内力计算值过大。为验证模型的合理性,以甘肃省靖会总干渠梯形渠道为研究对象,对其进行冻胀破坏计算。结果表明：模型由于考虑了衬砌结构与冻土间的相互作用,渠道衬砌板法向冻胀力呈非线性分布,修正了工程力学模型线性分布假设;与工程力学模型相比,冻胀力数值在坡脚处增大、跨中减小、底板上增大,计算结果更符合工程实际。研究提出的冻胀力学模型科学合理,简便快捷,具有更好的通用性,可为寒区渠道的抗冻胀设计提供参考。     

川东“侏罗山式”褶皱的数值模拟及成因探讨

本文通过采用有限差分法（FLAC）对“侏罗山式”褶皱进行数值模拟发现,层间粘聚力差异和上覆压力是控制隔档式褶皱、隔槽式褶皱样式的主要因素,即层间的能干性差异和埋深的控制。当地层在埋深较浅时,层间能干性差异对褶皱样式起主控作用,能干性差异小时出现隔槽式褶皱,差异大时出现隔档式褶皱。随着埋深加大,压力逐渐起主要作用,这时仅出现隔槽式褶皱。川东东带褶皱地层总体上层间能干性差异小,因而盖层的深部与浅部皆出现隔槽式褶皱,与模拟结果一致。西带褶皱地层总体层间能干性差异大,因而浅部出现隔档式褶皱。而其深部的下古生界地层主要受上覆压力控制,根据模拟推测应为隔槽式褶皱。     

钢弦式土压力盒在冻土中的应用

土压力盒是目前进行土压力实测的基本工具,已有六十年的发展史,近年来我们在隧道冻胀力及基础侧面法向冻胀力的试验中采用钢弦式压力盒作为测定冻胀力传感器,在使用中发现了一些问题,现总结如下,不当之处难免,请批评指正。     

冻土三轴冻胀应力-应变试验方法研究

提出了一种试验方法,研究土体或破碎岩体在不同含水率、不同温度、不同应力状态下冻结后产生的冻胀应变与冻胀力之间的关系,并针对寒区隧道提出了一种新型三轴冻胀应力-应变关系.试验设备采用应变控制式三轴仪及低温冷冻库,通过改变测力环的刚度来实现不同约束状态,进而得到土体或破碎岩体在不同约束状态下冻结后产生的冻胀应变及冻胀力,将这些特征点进行回归分析即可得到冻胀应力应变关系.根据上述试验方法,对饱和砂土进行三轴冻胀应力-应变试验.结果表明:冻胀应力应变关系呈对数曲线变化,且冻胀力随冻胀应变的对数呈线性变化;轴向约束越强,冻胀应变越小,冻胀力越大,且冻胀力随轴向约束强度的增大趋于某一极值;围压越大,冻胀力和冻胀应变越大.     

渭河拦河闸闸门选型及设计研究

闸门选型是拦河闸建设工作的重要组成部分,通过定量计算和综合分析,得到如下结论：①综合考虑渭河宝鸡市区段的地形、地质、河道特性以及施工管理等因素,建议选择开敞式平底拦河闸,并且采用平板闸门及固定式启闭方式。②设计拦河闸轴线全长626 m,闸底板高程579.9 m,设闸孔29处,闸孔宽度为19 m,属于大（1）型I等水利工程。     

湘中隔档式褶皱与找煤预测

湘中下石炭统测水煤系主要赋存于隔挡式褶皱中。通过几例有代表性的隔挡式褶曲的分析，揭示了发育于隔挡式褶曲背斜部位的逆冲断层下盘，有可能赋存较丰富的煤炭资源，从而为湘中地区测水煤系的找煤预测工作开辟了一条新的途径。     

冻土区甲烷排放研究进展

冻土区土牡表面和活动层土的ＣＨ_４排放和吸收表现出强烈的时空变化性。根据多年冻土中ＣＨ_４含量的模拟结果表明，全球尺度上，平均每米厚度多年冻土含有ＣＨ_４６５Ｔｇ。在未来的２００年间，多年冻土融化所导致的大气ＣＨ_４附加年源强变化于２～２５Ｔｇ。     

A methane fuse for the Cambrian explosion: carbon cycles and true polar wander

The dramatic diversification of animal groups known as the Cambrian Explosion (evolution's ‘Big Bang’) remains an unsolved puzzle in Earth Science. The Vendian–Cambrian interval is characterized by anomalously high rates of apparent plate motion, interpreted as True Polar Wander (TPW), and by more than a dozen large, high-frequency perturbations in carbon isotopes that dwarf all others observed through the past 65 million years. We suggest that these biological, tectonic, and geochemical events are intimately related in the following fashion. First, tropical continental margins and shelf-slopes which formed during fragmentation of the supercontinent Rodinia accumulated massive quantities of isotopically-light organic carbon during Late Neoproterozoic time, as indicated by strikingly heavy isotope ratios in inorganic carbon during interglacial intervals. Second, an initial phase of Vendian TPW moved these organic-rich deposits to high latitude, where conditions favored trapping biogenic methane in layers of gas hydrate and perhaps permafrost. Continued sedimentation during Late Vendian time added additional hydrate/gas storage volume and stabilized underlying units until the geothermal gradient moved them out of the clathrate stability field, building up deep reservoirs of highly pressurized methane. Finally, a burst of TPW brought these deposits back to the Tropics, where they gradually warmed and were subjected to regional-scale thermohaline eddy variation and related sedimentation regime changes. Responding to the stochastic character of such changes, each reservoir reached a critical failure point independently at times throughout the Cambrian. By analogy with the Late Paleocene Thermal Maximum event, these methane deposits yield transient, greenhouse-induced pulses of global warming when they erupt. Temperature correlates powerfully with biodiversity; the biochemical kinetics of metabolism at higher temperature decrease generation time and maintain relatively rich and dense invertebrate populations. Repeated thermal pulses along with progressive disruption and alteration of global ocean circulation patterns by TPW could cause the increase in diversity that accompanied the radiation of metazoans. We suggest that a methane ‘fuse’ ignited the Cambrian Evolutionary Explosion.     

祁连山多年冻土区甲烷通量与甲烷微生物群落组成的关系

全球变暖可能导致多年冻土中的有机碳分解,向大气释放甲烷(CH4),但多年冻土的甲烷释放通量与微生物群落结构以及功能基因的丰度相关性还不清楚.于2019年6月～2020年1月,选择青藏高原北部祁连山多年冻土区,利用静态箱-气相色谱法对不同海拔地区进行CH4释放通量测定,并分析土壤理化性质、CH4功能微生物群落、功能微生物...     

东北多年冻土地区地基承载力对气候变化敏感性分析

近年来,中国东北多年冻土地区正处于显著的增温过程中。由此导致多年冻土逐渐退化,并严重影响到构筑物的稳定性。以0.05 ℃的年平均气温上升率为背景,采用带有相变的传热学有限元方法,对中国东北多年冻土地区不同初始气温条件和不同含冰量类型冻土的地基温度状况以及季节活动层厚度变化进行了模拟;利用温度场有限元数值试验结果和已有承载力试验数据分析了不同类型冻土地基的力学性质对气温变化敏感性,评估了气温变化对各类冻土地基承载力的影响。气候变化对多年冻土地区构筑物稳定性影响程度取决于两个环节：其一,冻土地基温度状况对气候变化的响应;其二,冻土地基力学性质对地基温度变化的敏感性。研究结果表明,冻土地基含冰量和温度状态对其承载力随气温变化的敏感性具有显著的影响。含土冰层地基承载力对气温变化最为敏感,气温变化对高温冻土地区浅层地基承载力以及桩-土冻结强度影响较大;而深基础桩端冻土地基承载力受气候变化影响相对较小。     

天然气水合物分解及其生态环境效应研究进展

了解大陆／大洋边缘地区天然气水合物形成与分解及其在海底沉积物、水体及海底化学自氧生物群落中的一系列物理、化学及生物作用有助于我们在全球和区域尺度上探讨天然气水合物分解对气候变化的影响;天然气水合物在碳循环中的作用和大陆边缘流体活动与物质交换机制等问题。从水合物分解与全球变暖、贫／缺氧甲烷氧化作用、自生矿物沉淀、化学自养生物群落等方面综述了水合物的环境生态效应研究进展。天然气水合物的形成／分解及 其对海洋乃至全球环境生态变化的影响,深刻地反映了地球上岩石圈、水圈、大气圈和生物圈之间相互联系与相互作用,生物,特别是微生物对全球CH 4的平衡和自生矿物沉淀至关重要。     

气候变暖对多年冻土区土壤有机碳库的影响

多年冻土区存储了大量土壤有机碳。气候变暖、 多年冻土退化导致其长期封存的有机碳逐渐或快速释放, 进入大气圈或水系统, 改变原有多年冻土区碳循环, 并可能显著加速气候变暖。通过综述气候变暖对多年冻土区碳库的影响研究进展, 主要包括多年冻土碳库储量、 降解机理及变化预测, 研究表明： 北半球多年冻土区的碳储量巨大, 但不确定性很高, 尤其是海底多年冻土和水合物碳库储量的评估; 多年冻土碳库对气候变暖的响应速度受土壤水热特性、 土壤有机质C/N比、 有机碳含量和微生物群落特征等多种环境因素的控制或影响; 目前, 关于北半球多年冻土碳库对气候变暖响应模拟结果说明, 多年冻土退化短期内不会导致经济和生产方面的灾难性后果。但是, 无论是针对多年冻土碳库评估, 还是多年冻土有机碳库对气候变暖的响应模拟研究结果, 都有较大的不确定性。未来多年冻土碳库变化的模拟和预测研究应更多考虑多年冻土快速退化和多年冻土区水合物分解, 如中小尺度热喀斯特的生态环境和碳的源汇效应。准确的多年冻土区有机碳排放模拟可为未来多年冻土碳与气候反馈的预估提供重要支持。     

气候变暖背景下青藏高原多年冻土层中地下冰作为水"源"的可能性探讨

多年冻土中含有大量地下冰,全球气候变暖势必导致多年冻土退化,地下冰融化,部分水分被释放并参与到区域水循环之中,改变了区域水文状况.冻土退化-释水的过程在监测上面临较大困难,无法提供直接让据,但其长期累计的效果在宏观水文过程中表现显著.为此,利用近年来青藏高原部分湖泊水位变化监测以及地区水文情势变化研究成果,探讨了在气候变暖背景下,多年冻土层中的地下侣冰作为一种潜在水"源"的可能性.结果表明:多年冻土退化较强烈地区,补给源头在多年冻土区的封闭湖泊水位上涨、地下水位上升,排除其它补给量增加的可能性后,多年冻土地下冰很可能是补给水量增加的原因之一.     

Holocene thermal maximum in the western Arctic (0–180°W)

The spatio-temporal pattern of peak Holocene warmth (Holocene thermal maximum, HTM) is traced over 140 sites across the Western Hemisphere of the Arctic (0–180°W; north of ∼60°N). Paleoclimate inferences based on a wide variety of proxy indicators provide clear evidence for warmer-than-present conditions at 120 of these sites. At the 16 terrestrial sites where quantitative estimates have been obtained, local HTM temperatures (primarily summer estimates) were on average 1.6±0.8°C higher than present (approximate average of the 20th century), but the warming was time-transgressive across the western Arctic. As the precession-driven summer insolation anomaly peaked 12–10 ka (thousands of calendar years ago), warming was concentrated in northwest North America, while cool conditions lingered in the northeast. Alaska and northwest Canada experienced the HTM between ca 11 and 9 ka, about 4000 yr prior to the HTM in northeast Canada. The delayed warming in Quebec and Labrador was linked to the residual Laurentide Ice Sheet, which chilled the region through its impact on surface energy balance and ocean circulation. The lingering ice also attests to the inherent asymmetry of atmospheric and oceanic circulation that predisposes the region to glaciation and modulates the pattern of climatic change. The spatial asymmetry of warming during the HTM resembles the pattern of warming observed in the Arctic over the last several decades. Although the two warmings are described at different temporal scales, and the HTM was additionally affected by the residual Laurentide ice, the similarities suggest there might be a preferred mode of variability in the atmospheric circulation that generates a recurrent pattern of warming under positive radiative forcing. Unlike the HTM, however, future warming will not be counterbalanced by the cooling effect of a residual North American ice sheet.     

从第三极到北极： 热喀斯特及其对碳循环影响研究进展

北半球多年冻土区储存着大量的土壤有机碳, 气候变暖加剧了多年冻土退化, 多年冻土退化最明显的特征是热喀斯特。热喀斯特会直接导致活动层及多年冻土层土壤有机质暴露, 并改变水文、 植被和土壤生物环境条件, 对生态系统碳循环具有重要影响。热喀斯特对碳循环的影响是评估多年冻土碳循环和气候变化关系不确定性的关键问题之一。然而, 在气候变暖背景下热喀斯特地貌的发育及其对碳循环影响有多大, 目前对这个问题仍然缺乏足够的认识。通过综合比较第三极和北极热喀斯特相关研究, 分析了第三极和北极地区热喀斯特地貌特征及其变化趋势, 阐述了热喀斯特对植被演替、 土壤碳损失和生态系统温室气体排放过程的影响, 并提出了未来热喀斯特研究可能遇到的挑战。认识热喀斯特碳循环过程, 是评估气候变化对多年冻土碳循环影响的关键环节, 有助于加强多年冻土区生态系统碳循环与气候变暖之间反馈关系的认知。     

东北多年冻土退化及环境效应研究现状与展望

东北多年冻土属中高纬度多年冻土,对气候变化非常敏感。数据模型模拟表明,21世纪东北多年冻土区气温会持续上升,显著的变暖将导致多年冻土退化。东北多年冻土呈现自南向北的区域性退化趋势,多年冻土区南部表现为南界的北移、融区的扩大和多年冻土的消失,而北部表现为多年冻土下限的上移、活动层厚度增大及地温升高等。多年冻土的退化会导致寒区生态环境的恶化,如兴安落叶松占绝对优势的天然林带锐减,林带北移,沼泽湿地萎缩等。随着多年冻土的迅速退缩和变薄,原多年冻土中蕴藏的碳将释放出来,对气候变化产生积极的正反馈,加速变暖,并影响全球碳循环。多年冻土退化导致其热状态失稳而造成寒区基础设施损坏,并且影响冻土微生物、碳循环、寒区生态和水文等,而它们是区域气候变化的重要因子,也将成为未来多年冻土研究的重点。而这些研究都需要长期的基础数据作支撑,因此需要进一步完善冻土参数监测网络,用模型厘清气候变化与多年冻土退化及其环境效应之间的关系。