土壤电阻率的负温特性及冻土对接地极冲击响应的影响

西藏地区由于独特的气候与地理环境,在其冻土地区存在雷电与低温共存现象。低温下冻土作为含冰复杂体系,其在雷击下的冲击散流性能仍不明晰,因此该文就冻土电阻率的负温特性以及接地极的冲击特性开展研究。首先研究了不同含水量、含盐量的土壤电阻率随温度的变化规律;然后在冲击电流作用下,以永冻土试品的表层土壤融化厚度和季节性冻土试品的表层土壤冻结厚度为变量,探究了其对相应冻土中垂直接地极暂态电位的影响规律;最后结合冻结条件下土壤冲击放电的形貌特征与地中电场强度和电流密度的分布特性,探讨了负温下接地极暂态电位变化的本质原因。试验研究表明:考虑盐分对土壤的影响,当其温度在一次冻结温度Tf与二次冻结温度Ts之间时,电阻率随温度下降缓慢上升,只有当温度降至二次冻结温度时,才存在突增现象;在永冻土中,当冻土温度高于Ts时,接地极仍具有较好的散流性能。由此可知降低Ts可以减小水分冻结对土壤电阻率的影响,为避免极寒地区接地极失效提供了新思路。

冻土地基桩基础承载特性温度与流变响应试验

为揭示冻土温度、流变特性对桩基承载性能的作用效应,进行温度、流变响应试验分析,采用自行设计的大型冻土桩基承载性能试验装置,开展了不同地温、不同加载过程下桩基承载特性模型试验,分析了轴力与侧摩阻力的温度、流变响应。结果表明:地基温度对桩基刚度具有显著影响,温度较高(约-3℃)时,刚度仅为温度较低(约-6℃)时的1/10。其次,温度较低时,轴力沿深度迅速衰减,侧摩阻力呈上大下小,桩体上部(约1/3)主要承载;温度较高时,轴力分布平缓,深部侧摩阻力发挥程度相应提高。再者,流变效应对侧摩阻力的发展、变化存在显著影响,持荷阶段流变导致的侧摩阻力降低逾200 kPa。此外,流变效应亦受地基温度及荷载水平的影响:地温较高时,流变导致的侧摩阻力松弛近乎初值的50%;荷载水平升高时,流变效应呈现先增大后减小的趋势。冻土地基中桩基础承载性能具有显著的温度、流变响应,实际工程设计、运维必须予以考虑,研究结果可为工程实践提供理论支撑。

基于GPR探测的长江源地区冰川与冻土厚度研究

长江源地区的冰川变化揭示了青藏高原气候变化趋势。冰下地形探测作为冰川发育和运动过程研究的基础,对长江地区水土保持和淡水资源储量研究具有指导意义。长江科学院在长达10 a的江源科考基础上,分别于2022年、2023年采用探地雷达(GPR)技术对长江正源沱沱河发源地格拉丹东主峰的冰川厚度进行精准探测,并对查旦湿地冻土厚度上限进行了探测研究。结合多种冰川和冻土地质模型的GPR波场模拟结果,提高了GPR技术在长江源地区冰川和冻土探测的有效性和精准度。探测结果表明,格拉丹东主峰冰川厚度和查旦湿地冻土厚度上限均有不同程度降低,冰川厚度和冻土厚度上限观测是一个常年积累的结果,后续仍需持续进行观测,积累更多数据,分析变化趋势,以估算探测区域内冰储量,研究气候变化对冰川的影响效果。

多冷媒非均质人工冻结壁弹塑性应力分析

【目的】受制冷媒介温度差异以及被冻地层与冻结管距离差异的影响,多冷媒联合双排管冻结壁的非均匀性较为显著,为了合理评价该类冻结壁的安全性,需开展考虑非均质性的多冷媒人工冻结壁弹塑性应力分析。【方法】选取距离1/4管距处的冻结壁作为特征截面,将该截面上的温度分布曲线等效成三段一次函数形式,并将冻结壁视为随温度成线性变化的非均质材料,分别基于4种冻土屈服准则,推导得出多冷媒联合双排管非均质冻结壁弹塑性应力解析表达式。基于该解析表达式,对多冷媒冻结壁的受力特性进行计算,并将该计算结果与均质冻结壁计算得出的结果进行对比。【结果和结论】研究发现:(1)在盐水-二氧化碳联合双排管冻结壁中,径向应力随着相对半径r的增加而上升,环向应力在不同冻结区间(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)表现出不同的变化趋势。(2)基于均质冻结壁计算理论,弹性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁内侧,弹塑性状态的冻结壁的环向应力最大值出现在弹塑性分界面处,塑性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁最外侧;而基于非均质冻结壁计算理论,冻结壁环向应力最大值始终出现在冻结壁分区界线(r=2)处。(3)在考虑非均质特性后,冻结壁的弹性极限承载力降低1.8%,而塑性极限承载力提高8.1%。在弹塑性状态下,对应相同塑性区相对半径,非均质冻结壁具有更高的承载力,且这种现象随着塑性区相对半径的增大而愈发明显。研究成果对富水地层多冷媒联合冻结帷幕的设计具有重要的参考价值。

1960—2023年我国东北典型季节性冻土区冻融指数及冻土退化影响因素分析

【目的】季节性冻土的冻融循环过程显著影响了流域水循环和冻土层的演变。明晰冻融过程演变规律,为保障季节性冻土区生态及水利水电工程的建设和运行管理提供理论支撑。【方法】基于我国东北部典型季节性冻土区的10个气象站和冻土观测站数据,分析1960—2020年冻融指数的时空分布特征,计算了最大冻结深度、冻结开始日期、完全融化日期、冻融期、冻土退化速率,并结合气候(年平均气温、冻结温度变化率、冻结指数、融化指数)及地理参数(经纬度、海拔),利用相关性分析评估1960—2023年典型季节性冻土区最大冻结深度、冻土退化速率与冻融状态的影响。【结果】我国东北部典型季节性冻土区冻结指数以55.10℃·d/10 a的速率减小,融化指数以60.80℃·d/10 a的速率增加。60 a间最大冻结深度范围为68.00~260.00 cm,冻土退化速率范围为0.07~1.45 cm/a,开始冻结日期推迟速率为1.15 d/10 a,完全融化日期以4.71 d/10 a的速率显著提前,冻融期以5.60 d/10 a的速率缩短。【结论】冻结指数与纬度的相关性大,而融化指数与海拔相关性强。我国东北部典型季节性冻土区最大冻结深度主要受年平均气温和纬度影响,冻土退化主要受冻结温度变化率影响,冻融期显著受年平均气温影响。

无机材料改良季节冻土区碳酸盐渍土试验及其方案评价

为解决松嫩平原碳酸盐渍土对工程的不利影响,且削弱季节冻土区冻融循环对碳酸盐渍土带来的损伤,采用无机材料石灰和粉煤灰对碳酸盐渍土进行改良。研究了不同改良方案下碳酸盐渍土抗剪强度的变化及其抵抗冻融循环的能力;通过熵权-TOPSIS模型对各改良方案进行评价。结果表明:石灰和粉煤灰均会提升碳酸盐渍土的抗剪强度,但是石灰的改良效果远胜于粉煤灰,石灰会使得碳酸盐渍土的应力-应变曲线变成应变软化型;粉煤灰在提升碳酸盐渍土抵抗冻融损伤能力上表现得比较突出;而双掺石灰和粉煤灰明显兼顾了强度和抵抗冻融损伤能力这2个指标;在考虑力学性能、抗冻融能力以及经济等因素时,石灰和粉煤灰的掺量均为12%的方案最优。

季冻区列车轨道附近的地面振动级分析

季节性冻土区的极寒气温改变了土体的剪切波速,列车引起的地表振动特征有待揭示。将负温相关的冻土动力学参数引入列车-轨道-层状场地耦合振动模型,计算了冬季不同气温、不同轨道距、不同车速条件下的地表振动级。结果表明:入冬后当气温未降至-8.7℃的阈值温度时,地面振动未受负温影响;随着气温继续下降,地面振动的中、高频成分受到明显抑制,低频成分受到的影响不大;气温越低,中、高频成分向远离轨道方向的衰减梯度越大;车速的提高可加剧地表振动,这个特征基本不受气温的影响。研究成果有助于深入理解季节性冻土地区轨道交通振动的传播规律,为减振技术开发提供有益的参考。

基于冻融循环本构的预应力对拉式挡墙的冻胀效应研究

预应力对拉式挡墙的冻胀受力状态复杂,墙背的冻胀力分布尚不明确,进一步探究预应力对拉式挡墙的冻胀力分布具有重要意义。根据哈尔滨某地区的实际监测温度,采用ABAQUS数值模拟软件模拟温度场在模型空间的合理分布。基于冻融循环后混凝土塑性损伤本构,在所建立的温度场上进行热力耦合分析,研究预应力筋、冻胀时间对预应力对拉式挡墙冻胀效应的影响。研究结果表明:挡土墙所受冻胀力呈现“上小下大”的上三角分布趋势,且随着冻胀时间增加,冻胀力会呈现先逐渐增大然后逐渐减小的趋势,并在冻胀后120 d冻胀力达到最大。相比之下,由于预应力钢筋的存在,预应力对拉式挡土墙会使冻胀力在该处产生应力集中而增大,最大可使冻胀力增加200 kPa左右。在预应力钢筋的作用下,挡土墙的水平位移会减小40%~116%。本文研究结果可以为季节性冻土区的预应力对拉式挡土墙施工和设计提供技术支撑。

基于Stefan改进公式计算标准场地冻结深度的探讨

本研究依托于分布在全国季节冻土区600个气象台站,1971—2020年近50年实测季节冻土年最大冻结深度数据及温度观测数据,分别对600个台站的气温年变化趋势,气温冻结指数的年变化趋势等进行了探讨。并且在Stefan改进公式的基础上,进一步探讨了基于气温冻结指数的影响因子Ea与经度、纬度及海拔等因素在标准场地上的统计学关系,建立影响因子Ea与经纬度、海拔三者之间的相关关系式,将通过相关关系式计算得出的影响因子Ea与通过基于气温冻结指数的Stefan改进公式反推计算得到的影响因子Ea进行对比分析,验证相关关系的准确性。研究表明,因子在大多数点位拟合程度良好,但是一些位于多年冻土区边界处的点位,拟合差异较大。为解决这一问题,将研究区域重新划分为一般季节冻土区域及季节冻土区与多年冻土区边界处的过渡区域,分别进行相关性分析,再次建立影响因子Ea与经度、纬度、海拔之间的相关关系式。经过验证,点位拟合程度具有显著的提升。将相关关系式引入基于气温冻结指数的Stefan改进公式做进一步拓展,最终得到的经验公式将用于计算我国季节冻土区标准场地冻结深度。通常意义上由于Stefan公式中基于地表冻结指数的影响因子E本身计算较为繁复,应用于工程设计及施工并不简便,对难于计算或者难于获取到冻结深度的工程建设所在地,利用拓展后的经验公式计算得到的冻结深度值与气象台站观测值拟合度较高,能够较好地为工程建设提供冻结深度值作为参考。

1985-2020年呼伦贝尔市冻土气候变化特征

利用1985-2021年呼伦贝尔市15个国家气象站各层地温、第一冻土层下限、最大冻土深度资料,研究呼伦贝尔市冻土气候演变特征,同时采用重标极差(R/S)和非周期循环分析,统计最大冻土深度等气象要素时间序列的Hurst指数、分维数和非周期循环的平均循环长度,分析最大冻土深度等气象要素变化趋势和记忆周期。研究表明:(1)0 cm地温、40 cm地温和80 cm地温都呈增加趋势,且0 cm地温增加趋势最显著,特别是0 cm地温最小值增大更加明显。(2)冻结持续日数呈缓慢减小趋势,其中中部偏北海拔超过600 m山区持续时间最长,西南部和东南部地区持续时间最短。(3)7月中旬冻土从北部地区开始,9月-10月下旬向西南和东南地区扩展,次年5月上旬-6月下旬自西南和东南地区向北部地区逐渐消失。(4)最大冻土深度呈现逐年减小趋势,突变年份出现在1988年,最大冻土深度在7-9月最浅,次年2-4月最深,10月-次年1月是最大冻土深度不断加深的过程,5-6月是最大冻土深度显著减小的时段,最大冻土深度最大值出现在西部偏南地区。(5)冻结持续日数和最大冻土深度未来减小趋势仍将持续,持续时间分别为10、8 a;0 cm地温、40 cm地温和80 cm地温未来增加趋势仍将持续,持续时间都为12 a。

人工冻土冻胀引发上覆地层与结构变形计算方法研究

人工冻结法在地下特殊施工中的冻胀风险引发广泛关注,上覆地表变形可能造成城市道路、建筑结构变形,继而引发破坏,需要对地表及结构变形进行预测。瞄准冻胀的实质是冻土中水分迁移引起的宏观表现,基于Peck公式计算思路,对冻胀引起的上覆地层变形进行公式推导和参数取值,得出适合计算冻胀变形的冻隆公式,以求解冻结过程中上覆地层产生的冻胀量。通过水分迁移试验测定冻结水分迁移速度,推导和归纳冻结外锋面半径经验计算方法,得出冻土体积增加量计算公式。以郑州某冻结工程实测数据,计算土体冻结过程中的水分体积增加率,冻隆公式计算值与实测值接近,满足施工过程中安全评价分析的需求。研究成果可为人工冻结技术在高风险地下工程领域的技术研究应用提供理论基础和计算参考。

高海拔地区季节性冻土路基施工技术研究

甘南藏区季节性冻土问题给公路工程的路基施工造成较大难度。为了实现道路工程质量建设,并科学地选择施工技术措施,保证道路品质工程和实现项目功能目标提供技术保障,本文主要针对西北区域季节性冻土区域的公路路基冻害,通过研究在项目施工管理过程中对季节性冻土分布问题所进行的处治方法,提供具体的工程技术措施,对道路工程建设关键技术问题加以总结剖析,为西北区域其他高寒、高海拔区域道路工程建设经验提供借鉴。

P波入射下饱和冻土自由场地地震地面运动分析

地震波的放大或衰减受场地条件的影响,因而选择符合实际情况的场地模型来分析地震地面运动极为重要。为了研究西部高寒地区冻土场地的地震地面运动特征,基于弹性波在单相弹性介质与冻结饱和多孔介质中的传播理论,建立了P波入射下基岩上覆饱和冻土自由场地模型,求得了平面P波入射情况下基岩上覆饱和冻土自由场地地震地面运动的解析解答。通过数值计算,分析了平面P波在不同入射角度下,入射频率、孔隙率、介质温度、胶结参数和接触参数等物理力学参数对饱和冻土自由场地地震地面运动的影响规律。分析结果表明:平面P波的入射频率对基岩上覆饱和冻土自由场地地表位移有显著影响。基岩上覆饱和冻土自由场地的水平位移随着平面P波入射频率增大而减小,竖向位移随入射频率增大而增大;孔隙率的增大也会导致饱和冻土自由场地水平位移增大,但其增幅随着平面P波入射角度的增加先增大后减小,竖向位移也增大,但增幅随入射角度增加逐渐减小;冻土场地中介质温度的降低会导致饱和冻土自由场地的水平位移和竖向位移减小。这表明冰相对于冻土场地中地震波传播具有重要影响;此外,泊松比也会对自由场地的位移产生一定影响,水平位移随泊松比增大而减小,增幅随平面P波入射角度增加先增大后减小。随着泊松比增大,饱和冻土自由场地的竖向位移显著增大,增幅随平面P波入射角度增加逐渐减小;接触参数的增加会导致自由场地的水平位移增大,增幅先增大后逐渐减小。同时,地表竖向位移也会增大,但增幅逐渐减小。

高密度电阻率法在冻土层下松散层厚度探测中的应用

高密度电阻率法在冬季地表存在冻土层时由于接地条件较差,往往取得不了较好的探测效果,本文以采用长钢钎钻透冻土层并灌以冻点较低的饱和盐水等手段,改变接地条件,将其应用在冬季北方局部第四系松散层厚度的探查中,取得的成果断面特征符合地层电性变化规律,推断解释的松散层厚度与钻孔揭露厚度吻合,验证了该方法在工程探查方面的应用价值。

中国冻土对气候变化的脆弱性

冻土的脆弱性是指冻土对气候变化的脆弱性,是冻土易受气候变化,尤其是温度变化不利影响的程度.研究冻土对气候变化的脆弱性是提高对自然生态系统、工程系统、生态-社会-经济系统对冻土变化影响的脆弱性的认知,科学适应冻土变化诸种影响的前提和基础.基于科学性与实际相结合的原则、全面性与主导性原则、可操作性原则,以暴露度、敏感性与适应能力为标准,遴选构建了我国冻土脆弱性评价指标体系.借助RS与GIS技术平台,使用空间主成分方法,构建了冻土脆弱性指数模型,在区域尺度上综合评价了冻土的脆弱性.依据自然分类法,将冻土脆弱性分为潜在脆弱、轻度脆弱、中度脆弱、强度脆弱与极强度脆弱5级.结果表明:总体上我国冻土以中度脆弱为主,但青藏高原多年冻土对气候变化尤为脆弱;冻土脆弱性具有显著的地域分布特点,青藏高原、西部高山、东北多年冻土区脆弱性相对较高,季节冻土区相对较低.与季节冻土相比,多年冻土对气候变化更脆弱.在当前升温幅度条件下,冻土脆弱程度主要取决于冻土的地形暴露与冻土对气候变化的适应能力.

黄河源区冻土特征及退化趋势

黄河源区位于青藏高原多年冻土区东北部边缘地带,是季节冻土、岛状多年冻土和在大片连续多年冻土并存地带.多年冻土层在垂向分布上有衔接状和不衔接状两大类.不衔接状又可分为浅埋藏(<8m)、深埋藏(>8m)和双层多年冻土等形式.从20世纪80年代以来,源区气温以0.02℃.a-1增温率持续上升,人类经济活动日益增强,导致冻土呈区域性退化.多年冻土下界普遍升高50～80m,最大季节冻深平均减少了0.12m,浅层地下水温度上升0.5～0.7℃.冻土退化总体趋势是由大片状分布逐渐变为岛状、斑状分布,多年冻土层变薄,冻土面积缩小,融区范围扩大.部分多年冻土岛完全消失变为季节冻土.

黄河源区地表水资源变化及其影响因子

利用1955￣2005年黄河源区玛多气象站和黄河沿水文站气象、水文资料,分析了该区域地表水资源、气候及冻土演变规律,揭示了地表水资源变化的成因。研究表明:近51年黄河源流量丰枯转化频繁,但在总体上特别是进入20世纪90年代以来黄河源流量呈减少趋势,流量年内分配表现为单峰型;降水量对流量有着较为显著的影响,且具有一定的持续性;黄河源区气温的显著升高对于加大流域蒸发量导致流量补给的减少作用要大于其升高致使冰雪融水的补给作用,其中春季气温回升的这一效应更为显著;黄河源区冻土呈现出显著的退化趋势,冻土厚度与流量总体上呈显著的正相关关系,其不断减小削弱了自身天然隔水层的作用;黄河源区蒸发量呈现出显著的增大趋势,并导致流量的减少;气候变化导致流量的减少量占总减少量的70%,其余30%可能是由人类活动加剧造成的,气候及冻土因子对流量的作用大小依次为冻土、降水、蒸发和气温,显然多年冻土对于黄河源区地表水资源的形成和发育有着至关重要的作用。

路基的填料冻胀分类及防冻层设置

我国冻土区铁路路基表层的冻胀病害严重,且没有相应的路基填料冻胀性分类标准。在分析路基的冻胀特性、影响路基冻胀的因素、路基冻害整治中存在的问题的基础上,借鉴国内外地基土的冻胀性分类,并结合铁路路基填料分类的特点、铁路线路冻胀限高和维修标准,提出铁路路基填料冻胀性分类方案,并建议在冻土区设置路基防冻层。路基填料冻胀性分类方案以各类土的细粒含量、冻前含水量和冻胀高度为指标,进行冻胀敏感性和冻胀等级两级分类。路基防冻层应用细粒含量<5%的砂类和细粒含量<15%的砾类、碎石类不冻胀土填筑,防冻层的厚度根据路基的标准冻深。列车的运行速度和载重量确定。

青海高原冻土退化驱动因素的定量辨识

利用GIS技术、主成分分析和关联度等定量方法，分析了1981～2000年青海高原冻土退化的空间特征。研究表明：1981年以来青海高原冻土呈现出多年冻土减少、季节冻土增加的总体退化趋势，其中季节冻土由1981～1985年占全省总面积的37．5％增加到了1996～2000年的41．7％；在人为活动和气候变化对季节冻土退化的驱动作用当中以人类活动的作用更为显著，气候变暖是造成季节冻土退化的主导气候因素。

甘肃省公路沿线典型地段含盐量对冻胀盐胀特性影响的试验研究

季节冻土区含盐土公路路基在季节性冻胀、盐胀和融沉作用下,发生大量的道路病害,给道路的安全运营带来了严重的隐患。在考察大量现场道路病害的基础上,针对甘肃省季节冻土区公路沿线盐渍化道路病害比较严重的地段,选取几种典型的盐渍土进行室内冻融循环试验来研究它们在周期波动温度条件下冻胀、盐胀和融沉特性,进一步探讨盐渍土地区道路病害产生的机制。试验结果发现,含盐量对路基土冻胀、融沉和盐胀等变形过程有明显的影响,不同的含盐量路基土膨胀机制不同。含盐量较高的土体,变形主要由盐胀引起,没有明显的融沉变形;含盐量较低的路基土,变形主要由冻胀和融沉引起,可能存在盐胀;对于无盐但冻胀敏感性路基土,其变形主要由冻胀和融沉引起。另外,开放系统下盐渍土反复冻融循环后含水率重新分布,含水率普遍增加,且形成了两端含水率高、中间低的现象。