岛状多年冻土区高速铁路路基热状态及工程措施效果分析

为揭示岛状多年冻土区高速铁路路基热状态,提出合理有效的制冷结构,在新建哈尔滨至伊春高速铁路某车站试验段开展现场监测,获得岛状多年冻土的地温数据;基于实测地温数据,采用冻土水热耦合理论,对将在试验段实施的两侧双排普通热棒路基、两侧双排+中心单排全季热棒路基、两侧单排+基底横向通铺全季热棒路基3种制冷路基结构进行数值模拟,对比了3种制冷路基结构的地温分布特征及对下伏岛状多年冻土的降温效果。研究结果表明:铁力地区年均气温和降水呈增大趋势,天然场地岛状多年冻土地温在-0.3℃左右,属于高温极不稳定多年冻土。3种制冷路基结构中,两侧单排+基底横向通铺全季热棒对岛状多年冻土保护及降温效果最优,两侧双排普通热棒最差。普通热棒路基的多年冻土上限呈“两侧凸,中间凹”形态,抬升不明显;全季热棒路基的多年冻土上限呈“上凸缓斜平顶”形态,抬升显著。研究成果可对多年冻土区高速铁路路基建设和结构优化提供技术支撑。

岛状多年冻土区水泥改良粗粒料冻胀融沉特性

以铁力-伊春新建高速铁路工程为研究对象,采用室内冻胀融沉试验,研究冻结温度、水泥改良剂掺量和补水条件对岛状多年冻土区路基填料冻胀融沉的影响。研究结果表明:水泥改良填料对控制冻胀融沉有显著作用;补水工况下,试验冻胀率更大;冻结温度越低,冻胀率越大;在冻结温度与融化温度不变情况下,补水方式对试样融沉率影响不明显。初步获得了岛状多年冻土区高铁路基填料冻胀融沉规律,研究结论对穿越岛状多年冻土区的高铁建设有一定参考意义。

基于SBAS-InSAR的西伯利亚岛状冻土监测研究

阐述了在俄罗斯西伯利亚地区研究多年冻土的重要科学意义,回顾了InSAR技术的发展概况,并以俄罗斯西伯利亚地区东南部的克拉斯诺卡缅斯克区域为例,利用短基线集(SBAS-InSAR)技术处理了Sentinel-1数据,得到了符合冻土季节性变化特征的多年岛状冻土形变结果。

应用探地雷达研究中国小兴安岭地区黑河-北安公路沿线岛状多年冻土的分布及其变化

结合探地雷达对我国东北黑大公路黑北段岛状多年冻土的勘察结果进行了应用分析研究．结果表明，探地雷达可以较为有效确定多年冻土分布区域、厚层地下冰存在位置，是研究多年冻土的一种有效手段．探地雷达勘测结果表明，东北小兴安岭岛状多年冻土现在主要位于山间沟谷洼地、或山间盆地中，地表有积水、塔头草生长茂盛、草炭和泥炭发育的沼泽化湿地是其存在的重要标志；结合20世纪70年代对该区的冻土调查结果，以及线路沿线现存冻土比例推断，在过去30a间小兴安岭岛状多年冻土发生了较为显著的退化；现存黑河-北安公路沿线稀疏岛状多年冻土区的比例约为2％，冻土厚度约2～9m，冻土上限约1～3m．在影响多年冻土分布的因素中，地表水分条件是最为关键的因素，该地表水分通过蒸发吸热、单向导热等作用调节地中热流，并维持一定的净放热，在年平均气温接近0℃的条件下仍可以维持冻土的发育和存在；其它影响因素，如地形、地貌、坡向、植被、地质条件等因素发挥次要作用．

基于Mann-Kendall法的北黑高速沿线岛状冻土区植被退化分析

植被退化是影响陆地生态系统和气候变化的一个重要因素,分析植被退化特征对植被生态治理与保护具有重要意义。应用Mann-Kendall法对2000-2011年岛状冻土区的植被退化过程及影响植被退化的驱动因素进行分析。结果表明,植被退化区域占整个研究区面积的15.05%,其中严重退化区域比例占1.42%,其余13.63%为轻微退化;退化区域主要分布于北黑高速路段两侧地区、东北部大河口林场外围区域及河漫滩周围的沼泽地;降水量与植被指数表现为正相关性,显著性P<0.05,而气温显著性P>0.05,说明降水量是植被生长的主导因子;冻土退化产生地面渗水现象,归一化植被指数骤降0.26,同时在Mann-Kendall趋势曲线中突变点发生于2006年;岛状冻土退化伴随着土壤温度梯度发生显著的变化,植物的水分传导性脆弱,生长将受到抑制作用。研究结果可为高寒区生态系统的稳定发展和探寻水热条件变化规律提供空间数据支撑。

岛状多年冻土路基差异沉降影响因素研究

在分析岛状多年冻土路基差异沉降影响因素及成因的基础上,建立了岛状多年冻土路基工后差异沉降计算模型,系统研究了路基高度、融化盘厚度、融化盘面积、融化盘偏移对冻土路基差异沉降的影响。结果表明:路基最大差异沉降量随着路基高度、融化盘厚度、融化盘直径的增加而增大,但差异沉降量增幅随着路基高度、融化盘厚度、融化盘直径的增加而逐渐减缓;在相同融化盘深度、相同融化盘半径的前提下,融化盘偏移对路基差异沉降的影响可忽略不计。

石灰桩预融处理岛状多年冻土地基的效果探讨

当利用岛状多年冻土作为建筑工程的地基时,其不稳定的性质容易引起的工程质量事故,处理难度及费用较高。文中通过对岛状多年冻土进行石灰桩预融处理试验,得出岛状多年冻土预融处理的一系列试验参数,填补了建筑工程行业岛状多年冻土处理技术的空白,为将来实际工程中普通应用提供借鉴。

岛状冻土路基常见病害及控制措施分析

结合工作经验,论述了岛状冻土地区路基病害现象,研究分析了常见路基病害的产生原因,并提出了岛状冻土地区路基病害控制防治措施,以减少或避免这些现象的发生,提高岛状冻土地区道路的路用性能。

采伐对温带小兴安岭岛状冻土区森林湿地碳源/汇的影响

【目的】北方泥炭地对气候变暖引起的冻土退化可能具有正负反馈作用,但其对采伐干扰引起的冻土退化如何响应却仍不清楚。【方法】采用静态箱-气象色谱法和相对生长方程法,同步测定温带小兴安岭岛状冻土区落叶松-泥炭藓沼泽不同采伐处理(D-对照、Z15-轻度择伐15%、Z45-强度择伐45%、J-皆伐)(采伐试验已10 a)样地的土壤呼吸年净碳排放量(CO2与CH4)、植被净初级生产力及年净固碳量及相关环境因子(温度、水位、化冻深度及土壤碳氮含量等),并依据生态系统净碳收支平衡,揭示采伐干扰对温带岛状冻土区森林湿地碳源/汇的中期影响规律及影响机制。【结果】1)择伐(Z15和Z45)使其土壤CH4年均通量(0.07~1.53 mg·m^-2h^-1)提高5.7~6.4倍(P>0.05),皆伐却使其显著提高20.9倍(P<0.05);2)采伐(择伐与皆伐)使其土壤CO2年均通量(84.94~106.35 mg·m^-2h^-1)降低14.5%~20.1%(P>0.05);3)采伐干扰改变了CH4排放的主控因子(由气温及5~10 cm土壤温度所控制转化为由气温、0~40cm土壤温度、水位、化冻深度及土壤碳氮比综合控制),但未改变CO2排放的主控因子(由温度、水位、化冻深度、土壤有机碳含量及碳氮比综合控制);4)其植被净初级生产力(3.94~7.18 t·hm^-2a^-1)和年净固碳量(1.79~4.46 tC·hm^-2a^-1)呈现出随采伐强度增大而递减趋势,皆伐和Z45使两者显著降低28.7%~45.1%和28.7%~59.9%(P<0.05),而Z15对其无显著影响(-1.8%和-2.7%,P>0.05);5)采伐干扰10 a后,择伐使其碳汇功能(-0.34~2.31 tC·hm^-2a^-1)初步得到恢复(Z15高于D 18.5%及Z45低于D 48.7%,P>0.05),而皆伐维持弱碳源(-0.34 tC·hm^-2a^-1,P<0.05)。【结论】在中国温带小兴安岭岛状冻土区森林湿地碳汇管理实践中宜采取中、低强度的择伐方式,而应避免对其进行皆伐。

石灰桩融化岛状多年冻土的试验研究

针对岛状多年冻土区的新建工程和既有工程改扩建过程中面临的地基多年冻土稳定性问题,利用生石灰与水反应放热原理,采用预融技术对多年冻土地基进行处理,达到使冻土融化并固结沉降从而增强地基承载力的效果。在收集国内外工程中处理岛状多年冻土的主要方法和生石灰桩在处理地基的应用范围等相关资料的基础上,创新性开展石灰桩预融冻土地基室内模型试验研究,通过试验确定适用于融化高温岛状冻土且增强其地基承载力的石灰桩材料类型、材料配合比及施工工艺,并对其应用效果进行评价,形成在高温岛状冻土地区可以应用的一种新型成套石灰桩预融技术。

多年岛状冻土路基坡向性热效应数值模拟分析

在多年岛状冻土区,公路的走向会使路基两侧坡面及其下伏土层的地温环境存在较大差异,从而导致路基结构发生不均匀热变形,继而引发纵向开裂、热融沉等严重的路基病害,直接威胁行车安全。掌握该类路基坡向性差异特征是提高公路设计质量,改善路基热稳定性的前提,因此,以实际工程为载体,采用有限元数值模拟方法,通过在路基两侧坡面施加差异性热流密度,对高纬高寒地区多年岛状冻土路基的坡向性热效应展开研究,研究结果表明:路基热稳定性会随着坡面热差异的增大而发生不均衡性变化,依据差异性热流密度条件下的路基位移场热响应情况,揭示了多年岛状冻土路基在不同状态下的坡向性热变形特征及可能诱发的路基病害。

铁伊高速铁路岛状多年冻土融沉特性及工程对策

结合铁伊(铁力—伊春)高速铁路沿线岛状多年冻土的分布特征,通过室内试验研究了铁伊高速铁路沿线不同种类的岛状多年冻土在不同影响因素条件下的融沉特性,并根据不同种类的多年冻土融沉特性进行了工程措施分析。研究结果表明:岛状多年冻土的融沉系数随着含水率的增大而增大,随着干密度的增大而减小;岛状多年冻土的融化压缩系数在不同试验荷载作用下并非常数,而是随着荷载的增大而减小。对于融沉系数较大且埋深较浅的富冰或饱冰多年冻土采取挖除换填的工程措施;对于融沉系数较小的多冰或者少冰冻土,采用挖除换填+预融的工程措施;对于埋深较大的多年冻土采取桩基加固的工程措施。

水分迁移对岛状冻土区埋地管道周围非稳态温度场的影响

多年冻土岛大多处于连续多年冻土和季节性冻土的过渡地带,沼泽化现象很普遍,对土壤热交换条件极其敏感。结合岛状冻土区土质条件及环境因素,建立饱和冻土多孔介质水热耦合模型并进行数值计算,研究水分迁移、冰水相变对冻土温度场和埋地原油管道非稳态传热的影响。对控制和减少因管基融沉导致的安全事故,保障管道长期稳定运营具有现实指导意义。

高速铁路岛状多年冻土区钻孔桩施工技术研究

高速铁路岛状多年冻土区钻孔灌注桩在保证桩身稳定性和承载力前提下施工具有可行性,但需采取必要的施工控制措施。本文以小兴安岭南麓,沿线穿越多处岛状多年冻土的铁力至伊春高速铁路钻孔桩基础为研究对象,研究了冻土区的施工工艺和施工方案。结果表明:(1)旋挖钻机可用于高速铁路岛状多年冻土钻孔桩的施工;(2)可采用双层护筒钻孔桩施工,冻土段位于承台及以上的护筒分段钻进下放护筒,冻土段位于承台底及以下的采用双层长护筒施工;(3)导管采用分段吊装入孔技术,提前分段将导管组装完成,减少吊装过程中使用的连接接头;(4)泥浆可根据现场条件采用膨润土造浆;(5)钻孔灌注桩清孔后的泥浆性能指标应符合要求。值得注意的是施工时及时安装温度传感器以掌握周围温度场情况,在施工后采取保温隔热措施减小冻深。