冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究进展

随着冻土地区基础设施建设加快,冻害已成为寒区工程建设中迫切需要解决的问题.造成冻害现象的主要原因是土体的冻胀和融沉,而冻融过程受控于土体温度场、水分场、应力场及其变化规律.深入开展水热力耦合作用机理的研究对解决实际工程冻害问题具有重要的指导意义.对国内外在水热力耦合作用机理、耦合作用方程方面的研究进行了综评,指出了各种研究结果之间差异、不同冻胀模式建立的依据、研究方法以及适用条件,分析了目前冻融过程中土体水热力耦合作用理论和模型研究中存在的问题,提出了今后研究发展的方向.     

冻结期和冻融期土壤水分运移特征分析

西北内陆盆地冻结期和冻融期几乎占全年时间的1/2,该时期土壤水分运移特点与非冻结期存在较大差异.本文根据北疆昌吉平原区土壤水分运移观测试验,分析了冻结期和冻融期土壤水势分布和土壤含水量变化规律及其与潜水的转化关系,并阐述了冻融水的生态环境意义.     

冻结壁形成及解冻规律实测研究

通过实测,分析了冻结壁内温度分布规律,冻结和解冻期内冻结壁厚度、平均温度、冻结壁发展速度、解冻速度及外壁体厚占有效厚度比例与冻结时间的关系,冻结壁厚度与平均温度的关系,并得出了有关回归公式．对冻结凿井的设计和施工有着重要的指导意义．     

西北地区古代生土建筑物冻融风蚀机理的实验研究

西北地区独特的旱寒条件, 一方面使古代生土建筑物得以建筑和保存, 另一方面, 强烈的冻融风蚀作用致使许多生土建筑坍塌殆尽, 导致这一不可再生资源的破坏. 通过对古代生土建筑物冻融风蚀的模拟实验, 研究发现, 冻融风蚀是古代生土建筑物毁坏的主要因素. 当冻融次数相同, 随含水量增加, 风蚀强度增大, 尤其是当含水量相同条件下, 随冻融次数的增加, 风蚀量显著增大. 因此, 反复冻融循环作用所引起的土体微结构破坏是古代生土建筑物毁坏的主要原因, 而风蚀又是其主要动力机制. 风洞模拟实验结果表明 , 5%LS和10%PS耐冻材料具有良好的抗蚀性, 因此, 在自然条件严酷的西北地区, 采用该防护材料是对古代生土建筑物进行科学保护的一种重要途径.     

环境因素对路基沉降影响的分析

在秦沈线的路基沉降观测过程中，发现在上部填土荷载恒定不变的情况下，不同区段、路基的不同平面位置上测得的沉降过程曲线，有的发生陡降，有的发生较大沉降后产生回弹，在详细分析了沉降过程曲线、地下水位变化曲线等资料的基础上，发现上述异常现象是抽取地下水和冻融作用这两个环境因素所致，抽取地下水会引起沉降猛增，而冻融作用使沉降发生往复变化，本文较为详细地阐述了这两个环境因素影响沉降过程的方式，并且就抽取地下水对沉降的影响作了一些量化的分析。     

吉林省季节冻土区年冻融指数的时空变化特征

利用1961 - 2015年吉林省46个气象站的气象数据, 采用气候诊断分析方法, 研究了吉林省季节冻土区年冻融指数的时空变化特征及其与经度、 纬度、 海拔的关系。结果表明： 吉林省冻结指数呈由北向南逐渐降低, 融化指数由西向东逐渐降低的趋势分布。1961 - 2015年冻结指数呈显著下降趋势, AFI（空气冻结指数）和SFI（地表冻结指数）气候倾向率分别为-48.7 ℃·d·（10a）^-1和-166.8 ℃·d·（10a）^-1。融化指数显著上升, ATI（空气融化指数）和STI（地表融化指数）分别以57.0 ℃·d·（10a）^-1和93.7 ℃·d·（10a）^-1的气候倾向率显著上升。SFI、 ATI和STI分别于2001年、 1994年和1997年发生了突变。20世纪60、 70年代冻结指数异常偏高, 融化指数异常偏低。吉林省年冻融指数的变化趋势在未来整体上依然延续下去, 即冻结指数为下降趋势, 融化指数为上升趋势。冻结指数受纬度影响最大, 随着纬度的升高而上升, 融化指数受海拔影响最大, 随着海拔的升高而显著下降。冻结指数气候倾向率随着海拔的升高而上升, 融化指数气候倾向率随着纬度的升高而上升。     

基于遗传算法的冻土路基融沉可靠性分析

在冻土路基融沉变形极限状态方程的基础上,从可靠度指标的几何涵义出发,提出了基于遗传算法的冻土路基融沉可靠度指标和失效概率的计算方法。该法是一种全局优化算法,能有效克服传统搜索算法易陷入局部极小值的缺点,不需要对功能函数进行直接转换,避免了功能函数比较复杂时所带来的求解困难,特别适合求解非线性规划问题。以青藏铁路冻土路基的具体实例,验证了本方法的准确性和有效性     

多年冻土区路基路面变形及应力的数值分析

针对青藏公路路基下发育多年冻土融化盘的实际情况,选择两种模型,应用ABAQUS有限元分析软件,对冻土路基从修筑到开放交通过程中的路基路面位移及应力进行了分析.结果表明:冻土路基以融沉为主的变形,一般情况下以路中心下最大,变形呈凹形;当路基下融化盘偏移时,最大变形位置随之偏移;路面层底拉应力最大,对融沉变形反映敏感;路面顶部压应力最大值出现在轴载作用位置,面层应力对轴载反映敏感.计算模型断面尺寸、路基填料、路面结构等对青藏公路具有代表性,在3.6 m路基总高度条件下,无论路基下融化盘偏移与否,融化盘厚达0.5 m时路基顶部(路面层底)拉应力即达基层抗拉强度,显示路基融沉变形可能导致路基失稳及路面破坏,此时路基高度即达最大值.     

阿拉斯加德纳里国家公园公路沿线冰椎和融化失稳问题的减灾备选方案

Only one access road leads into Denali Park. The serviceability and safety of this gravel road is obviously of paramount importance to the National Park Service (NPS). Since the late 1950s and mid1960s major icings and a landslide, respectively, have occurred along the Denali Park access road. During the summer of 1990 the landslide activity intensified. The central section of the Park through which the access road traverses is designated as a wilderness area. Consequently, off road field exploration required to quantify the hazards and remediation activities that may be proposed to mitigate icings and stabilize the landslide, are severely restricted and closely scrutinized by the NPS. The results of an evaluation of (1) the current state-of-the-practice to control icings, and (2) thaw stabilization techniques that could be appiled to the northwest corner of the landslide are presented herein. The recommendations which followed, respecting the wilderness area designation for the Park, are also presented.     

青藏公路沿线多年冻土区活动层起始冻融时间的时空变化特征和影响因素

多年冻土区活动层冻融格局对气候系统、能量平衡、水文过程和生态系统有重要的影响,地表冻融时间是反映冻融格局时空变化的重要指标。为了探明多年冻土区活动层起始冻融时间的影响因素和机制,通过对青藏公路沿线8个典型活动层观测场地表起始融化时间（OOT）和起始冻结时间（OOF）进行研究,分析了不同观测场起始冻融时间的时空差异及其影响因素。结果表明：（1）青藏高原多年冻土区活动层起始融化主要发生在4月中下旬,起始冻结主要发生在10月中下旬。OOT的年际变化幅度远大于OOF,每年起始冻结的发生较起始融化更为准时。（2）起始融化发生时的气温普遍比起始冻结发生时高1~4℃。气温对OOT的影响要比对OOF大,其中OOT的变化主要与春季气温有关,冬季气温对其影响不大。（3）植被和土壤水分对OOT和OOF有重要调节作用,土壤含水率越高,植被状况越好,起始融化和冻结的发生时间往往越迟。（4）在起始融化和冻结阶段,厚度较大和持续时间较长的积雪对地温变化有明显的抑制作用,对OOT和OOF有延迟作用。