Formation and growth of multiple,distinct ice lenses in frost heave

This paper presents a fully coupled thermo-hydro-mechanical (THM) model which simulates frost heave in fully saturated soils. The model is able to simulate the formation and growth of multiple distinct ice lenses. The basic equations of the system were derived using the continuum theory of mixtures, nonequilibrium thermodynamics, and fracture mechanics, considering skeleton deformation, water flow and heat transport. Central to this model is the coupled transport of mass due to the temperature gradient across the frozen fringe, which acts as the main driving force of the phenomenon. The model is formulated in terms of measurable physical properties and thus no ad hoc parametrization is required. In an ice-lens-free state, the system is solved as a continuum using the finite element method (FEM). It is then locally treated as a discontinuous system upon the formation of ice lens, by enriching the elements carrying the embedded ice lens(es) using the extended finite element method (X-FEM). The accuracy and efficiency of the proposed model has been verified using several laboratory tests on Devon silt samples at different overburden pressures and thermal boundary conditions. Shut-off pressures have been also estimated and compared with the experimental results.     

大理地区晚霜冻灾害前后大气边界层特征分析

研究晚霜冻灾害的成因不仅能提高灾害性天气预测能力,而且可为此类灾害性天气的准确预报以及做好大、小春农作物的防灾减灾工作提供依据。对2009年3月14日云南省大理地区发生晚霜冻灾害期间大气边界层探测资料变化特征的分析结果表明：①此次晚霜冻是在降雨过程后以及前期偏暖的背景下发生的,由高空冷平流和夜间辐射降温形成的混合型霜冻;②晚霜冻发生前,近地层受冷空气影响,各类气象要素呈现出显著的变化特征,白天大气透明度高、无云、风速小、气压高、湿度小,太阳对地表的辐射较强,地表储存的热量较多,气温升高且达到最高值的时间较晚,地面以湍流方式向大气输送的能量以潜热通量为主,傍晚日落后,地表释放的热量开始增多而且远远超过白天吸收的热量,加之水汽放射的长波辐射稳定,获得大气逆辐射补偿的热量相对较少,气温迅速下降,从而近地面空气中的水汽发生凝结现象。     

交通荷载作用下冻土路基动力响应分析

季节冻土区路基在交通荷载作用下的冻胀翻浆病害是一个复杂的热、力相互作用过程,又是一个急需解决的实际工程难题.运用传热学及Biot固结理论建立季节冻土区公路路基的动力分析模型,以季节冻土区典型冻胀翻浆路基为例,分析其工程处理前、后的动力反应特性.结果表明:1)路基温度场的研究表明修筑路基后,在路基及其下部地基中将会产生大片的力学性质极不稳定的高温冻土层;2)路基运营期当交通荷载刚驶入或离开路基计算断面时,路基内的加速度、速度、位移、应力、孔隙水压力均振荡剧烈.但与普通路基相比,防冻胀翻浆路基的碎石层大大削弱了汽车动荷载的冲击振动作用;3)防冻胀翻浆路基中间存在透水层(碎石),减小了路基内的孔隙水压力,与普通路基相比,防冻胀翻浆路基的最大孔隙水压力比减小达30%左右,这对延缓、消除路基病害产生有很大作用.计算理论以及分析结果可为季节冻土区道路的安全运营以及维修提供参考依据.     

Study on preventing frost heave methods for highway foundation in seasonal frozen area

In order to resolve the frost-heave problem of highway foundation,firstly,the author discussed the law to frost heave of highway roadbed and gave an analysis on its influencing factors,such as soil,water and temperature.Meanwhile,sand clay and silt are given a classification according to frost heave ratio.Secondly,the roadbed frozen damage shows to frost heave and froze boiling based on the frost heave law and its influencing factors.In addition,taking some highway as an example and some principle suggestion was given through the theory on providing frostbite methods for highway foundation frost heave in seasonal frozen area.Specially,an effective method,STYROFOAM extruded polystyrene foam was introduced.     

浙江早生春茶霜冻灾害定量评估模型

春季霜冻是影响浙江春茶产量和品质的主要气象灾害。为深入开展浙江省早生春季茶叶霜冻灾害的评估工作,减少浙江省早生茶叶品种遭受春季霜冻灾害的风险,应用2005-2015年浙江省2094个区域自动气象站小时观测资料,以乌牛早和龙井43等其他品种春茶发育热量为始摘期指标,应用GIS技术,得到浙江省乌牛早、龙井43等其他品种春茶始摘期空间分布图。以衢州市乌牛早春茶霜冻害为例,应用自然灾害风险评估理论和技术,从霜冻的危险性、春茶的暴露性和脆弱性及春茶防灾减灾能力等因子指标,采用加权指数求和法,建立了基于浙江省茶树霜冻等级地方标准的春茶霜冻害强度指标、春茶生长发育期模型指标、春茶采摘量模型指标等多因子的定量评估模型,并对2005-2015年霜冻害个例进行检验。结果表明:浙江省乌牛早春茶平均始摘期在2月上旬到3月上旬,而龙井43等其他品种春茶始摘期在2月下旬到3月下旬,早生春茶始摘期从南到北时间后延。由加权指数求和法所建立的定量评估模型,对衢州市2005-2015年57个乌牛早品种霜冻害个例检验结果表明,2006年、2008年、2010年、2014年春茶霜冻害发生频率较高,而2010年3月中旬霜冻害强度最强。2010年3月霜冻发生前,一直持续阴雨天气,导致春茶无法及时抢摘,使大面积春茶受损,灾情损失严重。模型对衢州市乌牛早春茶霜冻害定量评估结果和实际灾情相一致。     

基于灾损定量识别的河南省冬小麦晚霜冻风险区划

利用河南省30个农业气象观测站1981-2008年的冬小麦观测资料和气象资料,基于晚霜冻指数和灾度计算了河南省冬小麦晚霜冻发生概率和灾害程度。通过在WOFOST作物模型中增加霜冻影响过程,实现了晚霜冻灾损定量提取,建立了以晚霜冻危险性、暴露性和脆弱性为评价因子的风险评估模型,按照高风险区、次高风险区、中等风险区、次低风险区和低风险区5个等级标准进行了河南省冬小麦晚霜冻风险区划。区划结果表明:冬小麦晚霜冻风险程度较高的地区主要分布在河南省沈丘、卢氏和林州等地,其风险指数都在0.6以上;低风险区主要分布在伊川、巩义、信阳、南阳、太康、濮阳和杞县等地,风险指数都在0.2以下。     

Frost heave analysis of ballasted track above box culvert and its influence on train vibration

The uneven frost heave of frost-susceptible subgrade soil causes track irregularity, which highly enhances train vibration and affects the comfort and safety of railway transportation. This paper presents a coupled thermo-hydro-mechanical (THM) analysis for the freezing behavior of railway located above a box culvert. The vertical acceleration of the vehicle, an indicator of riding comfort, is predicted through a vehicle dynamic model. The results reveal that the existence of a box culvert changes the subgrade thermal pattern, leading to a deeper frost penetration depth. The frost heave amount above the box culvert is larger than the adjacent section, resulting in uneven track structure upheave and track irregularity. This frost-induced track irregularity highly affects train vibration.     

苹果花期冻害气象指标和风险评估

花期冻害是影响苹果产量和品质形成的主要气象灾害之一。基于苹果花期冻害发生的地理分布、气象背景数据和已有研究成果,利用最大熵模型和ArcGIS空间分析工具,筛选出影响苹果花期冻害发生分布的暴露性指标和主要致灾气象因子,利用全国1981—2013年2084个气象站资料,评估了苹果主产区花期冻害的风险。结果显示:苹果花期冻害发生的暴露性指标是花前日最高气温大于等于6℃有效积温为420~550℃·d,主要致灾气象因子和高风险阈值按照贡献率大小依次为冻害过程的最大日较差 (大于等于22℃)、极端最低气温 (小于等于-2℃)、降水量 (小于等于5 mm) 和日最低气温小于等于0℃积温 (小于等于-14℃·d)。花期冻害风险较高的区域位于北疆、黄土高原西部和北部及川西高原区,而环渤海湾和黄河故道产区风险相对较低。不同风险区的分布与各地苹果物候期差异和春季冷空气的活动路径有关。     

电容式霜露传感器自动化观测对比分析

霜露天气现象是气象观测中的重要观测内容,目前对霜露的观测多采用人工观测的方法,存在诸多弊端。本文在对电容式霜露传感器自动化观测原理进行简单介绍的基础上,重点对2014年9月至2014年12月4个月的设备试验数据进行了分析,把设备识别结果、人工观测结果以及标准器识别结果进行比对,结合设备安装地点周围的实际情况和温湿度信息,深入探讨了设备识别率、漏报率、错报率的变化情况以及导致设备识别率波动的原因。试验结果表明,电容式霜露传感器在一般自然环境中对霜露天气现象具有较好的识别率,在未来研究改进的基础上,具有应用于气象业务自动化观测的可能。