高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及其影响因素——以天山南坡为例

季节冻土在高寒山区广泛分布,其冻融过程会对水文水资源和生态环境产生深刻影响。研究气候变化背景下高寒山区季节冻土冻融特征参数变化及影响机理,可为高寒山区水资源管理和生态保护提供科学依据。本文选择天山南坡作为研究区,基于13个气象站点1958年以来季节冻土冻融参数(最大冻深、冻结期、始冻日、解冻日)、气温、地表温度、降雨和积雪等数据,使用空间分析和多元线性回归统计等方法对冻融参数的时空变化特征进行分析,量化不同气候因素对季节冻土冻融变化的影响权重。结果表明,季节冻土最大冻深在(48.5±11.4)～(96.8±8.5) cm之间,冻结天数在(102±10)～(141±14) d之间,多年平均始冻日在11月7日至19日之间,多年平均解冻日在3月1日至28日之间。1950年代至2010年代期间,始冻日逐渐推迟,解冻日逐渐提前,冻结天数缩短。空间分布上,最大冻深有“海拔高,最大冻深大”的规律;空间变化趋势上,最大冻深在研究区中部显著增加;冻结天数在研究区内大范围显著缩短。季节冻土冻融变化与气温相关性最强,温度(气温和地表温度)是季节冻土冻融变化的主导因子。定量评价发现,气温影响占比(24.1±3...     

高速铁路路基填料冻胀试验研究

路基冻胀是季节冻土区修建高速铁路必须面对的关键性技术难题. 国内外针对路基填料的冻胀机理和特性进行了很多研究, 但很少涉及路基填料的渗透性问题. 通过室内试验研究了细颗粒含量对路基填料含水量和冻胀率的影响, 通过现场试验研究了路基填料的渗透性能, 选取哈齐客专某试验段路基进行冻胀监测, 验证了防冻层填料的导水特征及其防冻胀性能. 结果表明: 采用填料防冻的技术路线是可行的, 通过合理控制填料组分、级配、细颗粒含量等设计参数, 严格把控施工质量, 路基填料能够满足高速铁路路基防冻胀要求.     

深季节冻土区路基防冻胀道砟碎石排水盲沟热状况的数值分析

用透水土工布包裹道砟碎石填筑的截排水纵向盲沟, 是哈尔滨-大连高速铁路(简称哈大高铁)在大开挖路堑段采用的重要的防冻胀工程措施. 由于碎石层在顶部温度较低时, 其中发生对流换热过程而强化对其下部土体的降温作用, 可能导致盲沟底部冻结而影响其防冻胀效果. 通过数值仿真软件分析了排水盲沟的温度状况, 结果表明: 对于哈大高铁的气温环境, 在不考虑积雪影响的条件下, 将发生盲沟底部排水管冻结积冰, 影响纵向盲沟防冻胀效果的问题. 在盲沟顶土层中加设0.1 m保温板能够提高盲沟底部的最低温度, 推迟起始冻结时刻, 缩短冻结时长, 但不能完全避免盲沟底部排水管的冻结问题. 在有表层保温板的条件下, 在盲沟底部换填砂层虽然不能提高盲沟碎石层的温度, 但却能有效提高盲沟底部的温度. 复合措施可以有效解决盲沟底部冻结的问题.     

季节冻土场地上的地脉动特征

以张掖市的一场地为研究对象,通过对不同季节地脉动的测量和分析,研究了场地的脉动频谱特性随季节的变化.对场地实测资料的分析发现,冬季随着上覆冻土层的出现,使得场地刚度发生变化,频谱形状也明显地改变,地脉动的卓越频率明显提高.     

光纤布拉格光栅在季节冻土路基应变检测中的应用

介绍了现行光纤布拉格光栅（FBG）测试技术的应用领域、传感原理以及常用的封装方式,探索将FBG用于季节冻土路基这种隐蔽工程应变检测中的适应性。主要工作有：（1）基于FBG测试技术的植入梁方法,在传感器布设方面,根据不同测试对象提出了两种封装布设方式：浅置短距离半柔性探测杆和深置长距离半刚性探测杆两种封装布设方式;（2）针对现场测试需要,对电源、光纤传感器、数据采集及分析等整套现场测试系统进行了比较优选;（3）选择两处季节冻土路基作为埋设场地并开展为期1 a的观测。测试结果表明：FBG在-20～30 ℃的温差范围内保证了很高的存活率,所提出并实现的季节冻土路基应变测试系统具有较高的测试灵敏度和可靠性。该套测试系统为隐蔽工程的物理性质指标测试提供了新的技术手段。     

季节冻土区基床改性填料与保温护坡对路基温度场的影响分析

高速铁路对轨道平顺性具有非常高的要求,在季节冻土区建设的铁路面临着路基冻胀问题,由路基冻胀引起的轨道变形严重影响了高速铁路运行的安全性与舒适性.通过对比其他学者关于路基冻胀的处理与防治方法,提出了采用水泥稳定级配碎石代替普通级配碎石作为基床表层填料,同时在路基边坡铺设保温护坡的方法来防治路基冻胀.根据哈大客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值仿真方法分析路基基床表层采用水泥稳定级配碎石和在路基边坡加设保温护坡后对路基温度场的影响.并将分析结果与哈大客运专线的现场实测结果进行了对比,验证了有限元数值仿真结果的可靠性,分析结果表明：在基床表层换填水泥稳定级配碎石,同时在路基边坡铺设3.0 m高、2.5 m宽的保温护坡后可以有效缓解路基的冻胀,与无任何保温措施的普通路基相比,路基中心处的最大冻结深度减小了0.5 m,路肩处的最大冻结深度减小了1.1 m.     

艾比湖地区冻融作用对土壤微生物数量和群落结构的影响

通过对艾比湖地区冻融阶段7个典型样地野外采样和室内分析,研究了冻融作用条件下土壤微生物数量与土壤性质的关系、土壤微生物数量变化特征和土壤微生物群落结构的变化特征. 结果表明：不同冻融阶段,不同种类微生物数量受到不同土壤理化因子的制约. 1月,细菌数量与土壤有机质含量呈显著正相关(P<0.05),真菌数量与土壤含水量和土壤有机质含量呈极显著正相关(P<0.01),与土壤全氮和土壤孔隙度呈显著正相关(P<0.05);3月,只有真菌数量与土壤含水量呈极显著正相关(P<0.01);4月,放线菌数量与土壤有机碳和全氮含量呈显著正相关(P<0.05),然而与土壤pH值呈显著负相关(P<0.05). 总体来讲,冻结期土壤微生物数量较低,冻融后期(4月)达到峰值,其中,7 a 撂荒地的微生物数量最高,3 a撂荒地最低. 在研究区寒冷季节,微生物类群中放线菌占主导地位(81.9%);融化阶段,则是细菌占主要地位(52.1%~53.9%).     

青藏高原边缘山区公路路基、 路面抗冻设计研究

公路工程冰冻损害在冬季冻土地区十分普遍, 为有效减少或防止这一病害的发生, 需要进行公路工程抗冻设计计算. 以青藏高原东北边缘区和黄土高原丘陵沟壑过渡地带的甘肃临夏至大河家二级公路改造工程为例, 根据山区公路沿途的气候特点, 结合季节冻结状况和沿途的岩土性质, 根据相关规划对道路冻深、 路基冻胀值、 路基填土和地基土的冻胀率和路基总冻胀值进行了计算, 采用容许总冻胀理论进行了路基路面抗冻计算. 最后, 对路基容许冻胀值进行验算, 并对可能出现的冻害提出了工程防治措施.     

季节变化对列车行驶路基动应力的影响及简化计算方法

我国众多铁路干线分布于深季节冻土地区。铁路路基土层的冻融状态随着季节的交替变化而改变,相应的列车行驶时引起的路基动应力分布也有所不同。考虑路基土体的参振效应,通过改进车辆-轨道-路基垂向耦合动力学模型获取不同季节列车行驶振动荷载时程,进而通过动力有限元数值模拟方法,研究季节变化对列车行驶引起的路基动应力分布规律的影响。研究表明:路基土中的动应力幅值及其沿路基深度的分布规律与该时期路基土的冻融状态密切相关,基于此结论,提出深季节冻土地区不同季节铁路冻土下限范围内路基动应力的简化计算方法。该研究对于优化季节性冻土地区铁路路基设计方法,完善路基长期动力稳定性能评价方法等具有重要意义。     

新疆天山西部巩乃斯河谷积雪与森林/草地 覆盖条件下季节冻土特征分析

不同的覆盖条件下,季节冻土的特征会存在差异。为了分析积雪与森林/草地覆盖条件下季节冻土的特征,在新疆天山西部巩乃斯河上游的中国科学院天山积雪雪崩研究站的实验场地监测了森林-积雪,草地-积雪,以及草地覆盖条件下季节冻土的冻结深度,并对有无积雪覆盖条件下季节冻土发育过程中的土壤温度和土壤含水量进行了跟踪测量。结果表明：森林-积雪覆盖条件下季节冻土的冻结深度最浅,草地-积雪覆盖条件下次之,草地覆盖条件下最深。积雪的存在可以改变季节冻土的冻结深度,还会影响土壤温度和土壤含水量变化。在季节冻土的发育阶段,积雪的隔热作用使得有积雪覆盖条件下土壤温度和土壤含水量较高;在积雪消融阶段,由于积雪融水的补给,土壤含水量也相应地增加,积雪消失后由于蒸发的存在导致土壤含水量减少。