多年冻土区石油污染物迁移过程试验研究

中俄原油管道原油泄漏造成的环境污染和环境岩土工程问题是目前迫切需要解决的重要问题。通过淋滤作用下的石油污染物迁移过程室内模拟试验,研究了石油污染物在冻土区的迁移过程和迁移特征,研究发现：石油污染物在迁移过程中,油、水、气三相流体存在一个动态的平衡过程,其三者共同占据土样中的孔隙空间;石油污染物在冻土区迁移主要经历3个过程：吸附、迁移和聚集;石油污染物在迁移过程中,其各个成分和各烃类化合物迁移能力都有所不同,烃类化合物中碳数和烃类结构影响其迁移速度;冻土层对石油污染物的迁移具有明显的阻碍作用,可有效防治土壤深层次污染。研究成果为冻土区石油污染物多相流（油、水、气）水热质迁移动力学模型的建立以及石油污染引起的岩土工程特性变化等研究奠定了重要的基础     

黄土−砂浆块界面剪切特性试验及本构模型研究

构筑物与土体接触面力学行为是岩土工程研究的热点之一。基于一系列直剪试验,研究不同法向压力、土体含水率条件下黄土?水泥砂浆块界面剪切特性。结果表明,(1) 在土体含水率为9.2和13.1%条件下,法向压力为50、100 kPa时黄土?沙浆块界面剪切应力?位移曲线表现为应变软化型,且可分为峰值前、峰值后及残余阶段三部分,在法向压力为200、300 kPa时表现为应变硬化型;在土体含水率为17.1、20.8%条件下,不同法向压力时黄土?砂浆块界面剪切应力?位移曲线均为应变硬化型;(2) 黄土?砂浆块界面的抗剪强度包络线符合摩尔?库仑准则,随着含水率的增大,界面黏聚强度降低显著,摩擦强度略有增加,整体抗剪强度降低。当土体含水率由9.2%增加至20.8%时,界面黏聚力由41.5 kPa下降至3.6 kPa,界面摩擦系数由0.50增大至0.58。用非线性模型对界面剪切应力?位移曲线关系进行拟合,结果表明非线性模型可较好反映黄土?砂浆块界面的剪切特性。     

热管措施下锥柱式桩基础传热过程及降温效果预测研究

针对青藏直流联网工程塔基热稳定性问题,建立空气-热管-土体耦合传热数学模型,并利用该模型开展锥柱式基础传热过程及热管冷却降温效果的模拟预测研究. 结果表明：冷季热管工作期间,其周围地温梯度明显较大且呈“纺锤形”分布. 同时,由于锥柱式基础及其底座为热的良导体,热管产生的冷量通过锥柱式基础及其底座快速向基础底部传递,使得基础下部形成大范围低温冻土,这对主要考虑融沉病害的锥柱式基础而言十分有利. 暖季热管停止工作期间,浅层地温主要受环境温度影响,锥柱式基础附近融化深度大于天然地表下,二者差值约35 cm. 通过热管剖面及无热管作用中间剖面地温对比,发现单一塔腿在4根热管措施作用下,锥柱式基础周围多年冻土地温分布较为均匀,可避免冻土地基的显著不均匀沉降变形. 热管周围土体快速降温过程主要集中在前5 a,之后受气候变暖影响桩基础及天然地表以下上限深度不断增加,多年冻土地温缓慢升高. 50 a气温升高2.6 ℃背景下,锥柱式基础下部多年冻土仍保持冻结状态,能够满足青藏直流联网工程对于冻土地基热稳定性要求.     

季节冻土区黄土路基水分与温度变化规律研究

为研究季节冻土区压实黄土路基变形的影响因素,通过现场监测得到路基水分场与温度场的变化规律,并结合室内试验与数值模拟分析路基变形规律. 结果表明,天然地面以上路堤土体具有明显的季节性,水分场及温度场变化剧烈,而天然地面以下土体温度场及水分场变化较平缓,季节性不强. 路堤最大冻深约1 m,经历强烈的冻融循环和干湿交替过程,含水率变化量为5%~29%. 冻融循环作用在路肩处产生的变形较大,而干湿循环作用在路基中心处产生的变形较大,且后者引起的变形大于前者.     

高海拔冻土区通风管路基管内风速及影响因素研究

在多年冻土地区,路基工程的修筑将对下伏多年冻土的热力稳定性产生显著的影响.为保护多年冻土,保证路基的长期稳定性,通风管作为一种对流换热类主动冷却降温措施被广泛应用.通风管内的对流换热强度与管内风速密切相关,针对这一问题,采用现场监测与数值模拟相结合的方式开展了通风管内风速特征及影响因素的研究.结果表明:随通风管管径的增...     

青藏高原重大冻土工程的基础研究

青藏高原是我国乃至世界高海拔多年冻土区的典型代表。伴随着青藏铁路的建成通车,西藏自治区迎来了新一轮经济发展,迫切需要新建高速公路、输变电线路、输油气管道工程等。这些拟建工程与已建的青藏公路、青藏铁路、格拉输油管道、兰西拉光缆等工程均聚集于宽度不足10km范围内的青藏工程走廊。在这狭长的冻土工程走廊内,已修建或拟建的各种冻土构筑物相互影响,多因素耦合叠加,加速区域内的冻土退化,而冻土融化必将影响到工程的稳定性和生态环境退化。再加上全球气候变化的影响,其变化程度更加剧烈。面对国家需求,国家重点基础研究发展项目"青藏高原重大冻土工程的基础研究"于2012年4月正式启动。该项目旨在揭示气候变化与人类工程活动加剧背景下冻土变化及灾害时空演化规律,建立冻土工程稳定性和服役性能评价体系,提出冻土工程灾害防治理论与控制对策,为冻土构筑物群灾害应急预案和重大冻土工程建设提供科学决策依据。     

不同升温模式下冻土地区装配式基础热稳定性研究

以IPCC SRES A2、A1B、B1三种气候变化模式为基础,利用数值方法研究了青藏直流联网工程冻土区装配式基础的冻融过程以及活动层、融化深度、地温的变化规律.结果表明：工程扰动和气候变暖改变了冻土的热状态,促进了冻土退化,均为影响基础长期稳定性的重要因素,其中混凝土桩基的强化导热作用加剧了冻融过程,气候升温导致活动层厚度增加,土层温度升高;随着深度的增加,冻土响应减弱,冻土温度变化幅度越小;在三种升温模式下50年后融化深度分别达到3.12m、5.07m和6.02m,而同期天然场地活动层厚度为2.07m、4.37 m、5.62 m,说明冻土对不同升温模式的响应程度不同,且中心冻土在气候变暖和工程扰动双重影响下退化更快;从第10年到第50年,这三种模式下桩基中心融化速率分别为1.5 cm·α-1,6.2 cm·α-1,8.6 cm·α-1,即随着升温速率的增加,土层融化深度增加,冻土退化速度加快;低升温率时冻土变化主要受工程作用,而在较高升温模式下冻土退化则主要受气候变暖的影响.     

多年冻土区铁路路基热状况对工程扰动及气候变化的响应

基于青藏铁路沿线长期地温监测资料,对天然场地及铁路路基下部的浅层地温、多年冻土上限及下伏冻土地温动态变化过程进行对比分析,研究多年冻土区铁路路基热状况对于工程扰动及气候变化的响应过程.监测结果表明,路基修筑后边坡热效应显著,由此导致路基下部多年冻土热状况的不对称分布,必须引起足够的重视.块石路基修筑后,下部多年冻土上限抬升显著,其中阴坡路肩下抬升幅度普遍较阳坡路肩下显著.普通路基修筑后,在年平均地温低于?0.6～?0.7℃的地区下部多年冻土上限有不同程度的抬升,而在年平均地温高于?0.6℃的地区下部冻土上限则出现了一定程度的下降,其中阳坡路肩下降幅显著.受块石层冷却降温作用,低温冻土区块石路基下部浅层冻土地温有明显降温过程,而在高温冻土区这一降温趋势只存在于阴坡路肩下.对于普通路基,多年冻土上限抬升后,浅层冻土地温存在一定的升温过程.对于气候变暖,低温冻土区多年冻土的响应主要集中体现在冻土升温上,而高温冻土区多年冻土的响应则主要表现为冻土上限下降,冻土厚度减小.基于上述监测结果,可将目前青藏铁路路基热状况分为稳定型(低温冻土区块石路基)、亚稳定型(低温冻土区普通路基及高温冻土区块石路基)和不稳定型(高温冻土区普通路基).     

青藏高原公路路基周边风场特征风洞实验研究

路基高度是影响冻土路基工程热力稳定性的一个重要指标。同时,不同高度的路基对其周边风场的扰动也将不同,进而影响到局地的地-气能量交换过程。为揭示不同高度路基对其周边风场特征的影响规律及程度,基于风洞实验,研究了3种环境风速条件下青藏高原典型高度公路路基周边风场分布特征,并进行了量化分区。结果表明：路基坡前为流场减速区,不同高度情况下路基坡前减速区水平范围差异显著。10 m·s^-1环境风速条件下,3、4和5 m高路基坡前减速区水平范围约为1.8、2.2和2.5倍路基高度（H）。在路基坡前减速区0.3~1.1 m高度范围内,随环境风速增加,同一水平高度流场在靠近路基过程中风速的变化率呈下降趋势。路基上部为流场加速区,路肩处风速增长幅度与路基高度呈正相关。路基坡后为低速回流区,路基高度越大,低速回流区水平范围越大,10 m·s^-1环境风速条件下,3、4和5 m高度路基坡后低速回流区水平范围分别约为2.0H、3.0H和4.1H。低速回流区后,流场逐渐恢复到初始运动状态,其消散恢复区水平范围与环境风速密切相关,但与路基高度关系不显著,10 m·s^-1环境风速条件下,3、4和5 m高度路基坡后消散恢复区水平范围均约为9.8H。通过考虑路基高度对其周边风场分布的影响,可为块石、通风管、热管等冻土路基结构的设计和布局优化提供参考。     

地铁超长水平冻结法冻结壁形成特性研究

根据带相变瞬态温度场的传热控制微分方程,应用数值方法分析了地铁超长水平冻结法温度场分布规律,模拟冻结壁形成过程.应用准三维方法将三维问题转化为二维问题,通过对冻结管沿程水平方向盐水温度分布的计算,分析水平方向冻结壁发展的差异性规律.结果表明:对于地铁超长水平冻结法施工,冻结管沿程冻结壁发展存在较大差异,包括冻结壁交圈时间、冻结速率,冻结壁厚度等.为以后水平冻结法施工冻结壁形成过程的预测与评价提供了方法,同时该方法也可以用于竖井冻结施工中冻结壁形成的分析和研究.