变暖背景下砾石换填对多年冻土区机场跑道下地温场的影响

受气候变暖影响,东北北部地区冻融灾害频发,对寒区工程设施造成了重要影响。地基温度场的研究是分析与解决工程基础冻融灾害的重要手段。文中我们以漠河机场跑道为对象,通过有限单元法研究了洁净砾石换填对机场道基温度场的影响,并对运行30年内道基温度场进行预测。结果表明,换填使季节最大冻结深度(MSF)增加,且换填对道基下MSF的水平影响范围在道面中心线两侧30 m左右。之后,通过比较不同换填深度(1.5(顶)~3.5(底)、1.5~4.5、1.5~5.5和1.5~6.5 m)的道基温度场变化,发现:换填底部深度达到4.5 m时,MSF变化的速率开始减小。最后,根据IPCC第六次评估报告(AR6)未来100年间不同气候变暖速率模型模拟研究了无换填与不同换填深度下的MSF可能变化。结果发现,到2100年,在SSP2-4.5情景下,未换填及不同换填深度的道基下MSF分别为1.63、1.86、1.84、1.84和1.84 m。因此,利用换填法来减少跑道冻融灾害时换填深度应至少达到4.5 m。同时,应加强漠河机场道基地表水与该跑道区地下水的防排水设施建设与维运。研究结果有助于进一步认识换填对多年冻土和活动层水热状态的影响,可为解决道基冻胀和融沉问题提供重要科学依据。

察达沟谷冰碛土冻结深度与冻胀变形影响因素正交试验研究

中国西藏察达沟谷内存在有大量冰碛土,随着西部大开发的进行,该地区将有众多基础性工程建设于该冰碛层冻土地基上。为探究该地区冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响因素,通过正交设计,在室内开展开放系统下多因素多水平单向冻结试验,研究了开放系统单向冻结下各因素对冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响及显著性大小,同时对冻结后土体不同高度水分重分布进行分析,并给出冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究表明:对冻结深度和冻胀变形影响最为显著的因素分别是冻结端温度和初始体积含水率。各因素对冻结深度显著性影响大小排序为:冻结端温度>冻结时间>冻结端降温速率>初始体积含水率>压实度;对冻胀变形影响大小排序为:初始体积含水率>冻结端温度>压实度>冻结时间>冻结端降温速率;当冷端温度低、冻结时间长时,冻结锋面上方3~8 cm处存在冻结缘,此处为水分迁移和水冰相变的关键区域,会作为蓄水带进一步加剧土体的冻胀;根据正交试验结果,建立了可有效预测该地区冰碛土在多因素影响下的冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究结果对相关地区冰碛土工程安全性评价与防冻害设计具有一定参考价值。

热能转化式路基冻胀控制效果现场试验研究

研究目的:为解决季节冻性土区铁路路基冻胀问题,提出一种新型热能转化式路基。通过专用地源热泵系统,收集路基附近地基稳定层的低位地温能,并转化为高位热能,然后传递至路基冻胀层,以实现对路基的主动供热和温度控制,根除冻胀。在准池铁路某冻胀区段,建设1段20 m长的热能转化式路基试验段,在2021—2022年冬季测试热泵供热温度、试验段路基和天然路基的温度场、冻结深度、轨道冻胀量等指标的变化情况。研究结论:(1)热泵供热温度峰值可达59.4℃,间歇运行时的日均供热温度达25.2℃以上,热源品位高,起到有利的热源作用;(2)天然路基冻结期持续141 d,试验段路基相比减小了20 d;试验段轨道中心、路肩及坡脚位置的最大冻结深度分别为88 cm、75 cm、58 cm,相比天然路基分别减少了60 cm、122 cm、78 cm,将冻结深度控制在有害临界值以内;(3)天然条件下轨道冻胀量峰值为9.4 mm,形成有害冻胀;而试验段轨道变形量小于±3 mm,未超出经常保养管理值;(4)热能转化式路基对于低路堤、路堑基床、岔区、涵顶等重要部位的顽固性冻胀病害是一种有效的防控手段。

冻土地区铁路路基主动供热防冻胀方法现场试验研究

路基冻胀是冻土地区铁路运营的顽疾,在防排水、土质改良和保温等措施难以消除冻胀的情况下,人工供热是一种备选方案。依托准池铁路K44+970—K45+020冻害路段,设计基于地源热泵的分布式供热方案,建设1个长度为20 m的现场试验段。在2021—2022年冬季开展1个冻融周期的供热试验,基于监测数据对热泵换热温度、路基温度场、冻结深度、轨道变形量等指标进行分析。研究结果表明:热泵的供热温度可达50℃以上,热源品位高且供热量稳定。供热试验段内路基冻结范围和温度极值比天然工况显著减小,线路中心处最大冻结深度由148 cm减小为88 cm,冻结锋面保持在地下水毛细迁移高度以上。试验段路基横向冻结深度差值由天然条件的49 cm减小为13 cm,有利于消除横向冻胀差异引起的水平不平顺。试验段纵向上的冻结深度差值基本控制在20 cm以内,可以避免次生高低不平顺。天然路基呈先发育深层冻胀、后在降雪融水入渗时发育浅层冻胀的规律,最大冻胀量达9.4 mm。试验段内路基未发育深层冻胀,且浅层冻胀量得到有效控制,轨道变形量控制在±3 mm以内,没有超出作业验收管理值,有效缓解了试验段冻害问题。

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±3.6)%,地表温度影响占比(12.1±3.1)%,降雨影响占比(9.6±1.7)%,积雪影响占比(5.1±1.5)%。

黄土的冻胀融沉作用对水利设施的病害分析

季节性冻土区内,黄土的冻胀融沉受多种因素影响,冻结温度引起冻结深度和水盐迁移变化,影响冻胀融沉发生的程度,反复的冻胀融沉作用会对高标准农田灌区水利设施产生不同程度的危害,影响水利设施的正常使用。以陕西省宝鸡市千阳县高崖镇高标准农田灌溉区的黄土为研究对象,利用COMSOL数值仿真模拟软件研究了不同冻结温度状态下黄土冻结深度的变化规律,通过室内冻结试验,分析了冻结温度对水盐迁移及冻胀融沉的影响,探究了多因素条件下黄土的冻胀融沉作用对高标准农田水利设施产生的危害,并提出了相应的防治措施。结果表明:冻结温度降低时,冻结温度梯度增大,水盐迁移量增大;土层冻结深度随冻结温度的降低而加深,即一定温度范围内,冻结温度越低,土层冻结深度越大,冻胀融沉的影响范围越大,土体扰动范围越大,对高标准农田水利设施产生的危害就越大;采取“水盐热隔离法”,可隔离水盐迁移,降低水盐迁移对黄土冻胀融沉的影响,从根本上解决冻胀融沉对水利设施产生的病害。

藏区季节性冰冻地段路基施工技术要点

G248线大岭山至新城二级公路处于甘南藏族自治州东部,海拔较高,冬季气温低,属于季节性冰冻地区。在季节性冰冻地区修建公路时,首先要考虑的就是冻胀作用导致公路出现翻浆、冻胀、拥包等病害。因此,在施工前就选择适宜的填料,做好排水设施,从而避免通车运营后经常需要进行维修和养护。

增强剂的有效渗透深度对水工混凝土性能的影响研究

寒区水工混凝土施工时,控制不当会出现混凝土强度偏低、抗冻性能及抗冲磨性能较差的问题。为避免出现此类情况,通过对比3种不同增强剂样品在同种混凝土中的有效渗透,分析增强剂在不同混凝土中的有效渗透深度及其对混凝土抗冻性能和抗冲磨性能的影响。结果表明,不同增强剂溶液在相同混凝土中的有效渗透深度越大,其渗入量就越多,其强度提升幅度也越大,最大可使强度回弹值提高24.1%;在不同的混凝土中,水胶比越大,抗冻性能越差,增强剂在混凝土中有效渗透深度也越大,抗冻增长率最高可达到80%;随着混凝土水胶比变大,其密实度变差,抗冲磨性能下降,但增强剂有效渗透深度变大,抗冲磨增长率也变高,最高可增至28.3%。

华北地区铁路路基冻胀监测及冻害发育特性

为掌握中国华北地区铁路路基冻害机理,在准池铁路K45+010建立路基监测断面,监测并分析华北地区路基温度场、冻结深度和冻胀量的变化规律,探究其与大气环境、地下水的关系;提出路基温度估算式,计算分析中国华北地区路基冻害发育特性,并与东北、西北地区进行对比。结果表明:准池铁路冻结期持续约141 d,最低气温达-24.7℃,冻结深度增大速度为1.11~2.89 cm·d^(-1),路肩冻结深度最大为197 cm,轨道冻胀量最大为9.4 mm;华北地区铁路冻结期轨道变形分为初始波动、快速冻胀、稳定冻胀、冻融循环和融化回落5个阶段,快速冻胀和融化回落阶段历时均为15~20 d,为线路维护的重难阶段;东北、西北和华北地区路基冻害发育特性存在显著差异,东北地区多属温带季风气候,降水量大,冻胀量最大;西北地区多属大陆性气候,路基冻胀持续时间最长,冻结深度最大,主要发育深层冻胀;华北地区纬度相对较低,冻结期最短,表现为先发育深层冻胀、后在降雪融水入渗时发育浅层冻胀的规律,冬季降水容易融化入渗加剧冻害。华北和东北地区冻胀防控应优先以水分为对象,西北地区优先以温度为对象。

石灰改良粉土的冻胀特性试验研究

粉土因毛细水发育表现出较强冻胀特性,在冻土区建设中需关注其冻害问题。土中掺入石灰是一种常见的化学土质改良方法,但石灰对粉土的冻胀特性影响尚不清晰。为研究石灰改良粉土的冻胀特性和效果,进行了开敞系统下的一维冻胀试验,分析不同掺灰量下的温度场、变形场和水分场变化规律和机理。研究发现:土样随掺灰量增大,其冻结深度先增大后减小,冻胀量和补水量持续减小,而冻胀率先减小后增大,各指标呈不同变化规律,冻胀特性复杂;一定条件下提高掺灰量可减小冻结深度和冻胀量直至低于素土,土样抗冻性提高;而随着掺灰量变化,石灰改良粉土的冻胀率始终高于素土,土样抗冻性改良不显著。因此,在实际工程中,不能仅通过单一指标评价石灰改良粉土的效果,需结合冻结深度、冻胀量和冻胀率三个指标,综合评价石灰对粉土抗冻性的改良效果。

石灰石粉掺量对混凝土耐久性能的影响

研究了不同石灰石粉掺量对混凝土工作性能、力学性能和耐久性能的影响。结果表明:当混凝土中石灰石粉掺量不超过60kg/m3时,混凝土具有良好的工作性能,其2h坍落扩展度为(450±10)mm;由于石灰石粉超细集料效应增加了结构的密实性,混凝土的28、56d抗压强度比石灰石粉掺量超过60kg/m3时混凝土的28、56d抗压强度高4MPa以上,混凝土的抗冻、抗碳化、抗氯离子渗透等耐久性能也相应地提高。

基于机器学习的第三极季节冻土最大冻结深度未来变化预测

最大冻结深度是季节冻土的重要指标,预测第三极地区未来最大冻结深度的变化,对于理解该区域的环境变化,指导生态保护、农牧业生产、工程建设等都具有重要意义。本研究利用基准时期(2000s)良好训练的支持向量回归模型,使用集合模拟策略,预测了2050s和2090s第三极地区在4种SSP情景下最大冻结深度的变化。结果表明,在可持续路径(SSP126)、中间路径(SSP245)、区域竞争路径(SSP370)和化石燃料为主发展路径(SSP585)情景下,不包括多年冻土退化为季节冻土的区域,相对于基准期,季节冻土的最大冻结深度到21世纪末将分别减小10.41 cm(11.69%)、24.00 cm(26.95%)、37.71 cm(42.34%)和47.71 cm(53.57%)。最大冻结深度的减小具有海拔依赖性,随着海拔的升高,最大冻结深度减小的速率变大,但是海拔超过5000 m后,最大冻结深度减小速率逐渐减小,这与升温的海拔依赖性较为一致。最大冻结深度的变化也与生物群区有关,在4种SSP情景下,山地草地和灌木区的最大冻结深度减小速率最快,到21世纪末平均每十年分别减小1.80 cm、3.77 cm、5.77 cm和7.24 cm。分流域来看,青海湖流域减小速率最快。模拟预测结果可通过国家青藏高原科学数据中心(DOI:10.11888/Cryos.tpdc.273002)下载使用。该研究结果可为在全球变暖背景下理解第三极季节冻土的未来变化及其生态水文效应提供基础数据与信息。

准池铁路人工供热路基的冻胀控制效果研究

为解决黄土高原既有铁路路基在冬季低温状态下反复冻胀的痼疾,以准池铁路K44+970~K45+020冻害路段为依托,开展了季节性冻土地区铁路路基人工供热防冻胀技术的现场应用研究。基于地源热泵技术,设计路基分布式供热系统,并对其施工步骤、运行控制方案进行了详细介绍。建立了温度和变形自动监测系统。在11月至4月采取人工供热方式防止路基冻胀,基于现场数据得到供热系统日换热温度、供热路基断面的地温、冻结深度、轨道冻胀变形量等随时间变化规律,分析供热性能与冻害整治效果。结果证明:供热系统在冬季严寒环境下的供热温度可达50℃以上;与天然断面相比,供热路基冻结深度和冻胀量显著减小,最大冻结深度由197 cm减小为88 cm,冻胀量从9.4 mm降低为±3 mm,有效抑制了冻害发育。

寒区路基主动热调控系统的试验研究

针对寒区路基冻胀病害,提出1种利用地温能的主动供热方法。采用地源热泵技术,设计1款路基专用热调控系统及分布式供热方案。搭建足尺路基试验平台,并制作与安装实体热调控系统,测试其在冬季的供热性能和路基热学调控机制。试验表明:在启停比2h∶1h运行模式下,热调控系统可以输出17-33℃的供热温度,在冬季寒冷天气下的运行性能稳定;集热温度范围为-18--8℃,能够高效收集地温能。供热段向路基的热扩散过程具有空间滞后性,竖向升温效应可以在4d内扩散至整个基床表层,升温幅度随着与供热段距离或时间的增大而逐渐减小。路基纵向升温效应在第4d时的扩散距离为125cm。供热段的倾斜布置形式有助于平衡路肩和路基中心的冻结差异,防止不均匀冻胀。路基冻结深度变化受到大气环境和热调控系统的双重控制,供热16d后冻结深度由74cm降低至17cm以内。热调控系统制热系数可达5.8以上,但随着运行时间的延长而减小。建议路基采用人工供热和保温措施相结合的复合热防护方案。

冻融循环作用下危岩体滑移破坏数值优化分析

冻融循环作用是寒区危岩体崩塌失稳的主要诱因,对寒区危岩体滑移破坏的孕灾因素进行数值优化分析尤为重要。首先,基于极限平衡理论,考虑危岩体贯通段结构面冻胀力、未贯通段岩石黏聚力劣化及冻结深度演化,建立冻融循环作用下滑移式危岩体稳定性分析模型;其次,基于岩石冻胀理论,考虑冻结过程中水分迁移推导得到贯通段冻胀力计算方法;再次,将岩石细观孔隙抽象为无数圆形孔洞,根据圆孔扩张理论和莫尔–库伦屈服准则分析孔隙冻胀破坏过程,构建冻融循环作用下未贯通段岩石黏聚力细观劣化模型;最后,通过改进Stephan经验公式得到未贯通段岩石冻结深度随冻融循环次数演化的计算方法。结合工程算例分析各敏感参数对危岩体稳定性的影响发现:滑移式危岩体稳定性随冻融循环次数的增加呈先快后缓的下降趋势;危岩体稳定性系数与冻结温度呈正相关,相同冻结温度下,危岩体稳定性系数的下降随冻融循环次数增加出现明显的边际递减效应;危岩体稳定性系数与岩屑流失比呈负相关,且岩屑流失比会同时改变稳定性劣化趋势和劣化程度,控制岩屑流失比有利于寒区危岩体的长期稳定性。

季节冻土区高铁路基保温层稳定作用研究

针对西宁至成都高铁若尔盖湿地段路基工程,基于传热方程、水分迁移方程与力场平衡方程建立季节冻土区高铁路基冻胀的水热力耦合模型,对比分析普通路基和保温路基的温度、水分和位移特征差异。结果表明:保温层有效降低路基的冻胀量,同时减小左右路肩的冻胀量差;保温路基与普通路基的总含水量分布相似,由于保温层将冻结锋面完全阻止在保温层内,其冻深远小于普通路基。

间歇冻结控制人工冻土冻胀的试验研究

土体冻胀容易引起地表产生不均匀变形,因此控制冻胀的产生和发展始终是人工冻结技术的重要课题．通过试验比较了人工冻土在连续冻结模式、控制时间的间歇冻结模式和控制深度的间歇冻结模式下,土体冻胀的发展变化规律及冻胀控制与冻结模式之间的关系．结果表明:与连续冻结和控制时间的试验相比,在冻结锋面趋于稳定和温度梯度趋于恒定前,采用控制冻深的间歇冻结模式能够有效地抑制人工冻土冻胀的发展,冻胀量仅为连续冻结模式的19．8％;不同的变温起始时间对冻土冻胀控制的效果不同,在冻结过程刚刚进入拟稳定阶段时,迅速改变冷端温度,将使土样内的温度场不能达到稳定状态,从而推迟起始冻胀的时间,抑制冻胀的产生。

高寒地区高速铁路路基冻深试验研究

根据自动监测的哈大高速铁路沿线不同区段大气温度和路基冻深数据,研究哈大高速铁路沿线路基冻深的发展变化特征。结果表明：路基的冻深发展过程可分为快速发展和双向融化2个阶段,最大路基冻深可达300cm;在路基冻深快速发展阶段,路基冻深的发展速率随着里程的增大而增大,全线路基冻深的发展速度在1.11~2.89cm·d-1之间;在双向融化阶段,深层融化线的上升速度约为1.36cm·d-1,而表层融化线的上升速度约为3.86cm·d-1;由于大气温度波动较大,很难直观反映其对路基冻深的影响,因此采用冻结指数分析大气温度对路基冻深的影响,冻结指数与路基冻深的关系可用对数函数拟合;与土壤最大冻深相比,路基最大冻深普遍偏大,这是由于在哈大高速铁路的路基冻深范围内所用非冻胀填料与天然土壤相比细颗粒少、含水率低、导热系数高所致,因此,在进行冻深计算时应充分考虑填料的热物特性。

寒区公路路基温度场的自动监测与特性

针对寒区公路路基温度场的观测存在外部环境复杂、自动与连续观测难以实现等困难,采用DS18B20温度传感器、STC89C58单片机、DS12C887时钟和AT24C256外部扩展数据存储器组成观测系统,外接锂电池供电,对路基温度场实现了自动采集、储存和无间断观测。结果表明:在冻融循环期内,最大冻深在路基顶面下2.3 m,比天然地基深0.85 m,说明路基填筑改变了原天然地基温度场的状态;与气温变化时间相比,路基冻深变化在次年3月份达到最大,存在50 d左右的滞后期;在路基冻融过程中呈现不均匀现象,融化期内,路基内部存在马鞍形未化冻土区域,并在融化末期产生未化冻土核;其观测结果可作为寒区公路路基病害的分析依据。

极端冰雪条件下岩石边坡倾覆稳定性分析

探讨极端冰雪作用,推导典型岩石边坡在极端冰雪条件下倾覆稳定系数的表达式。通过计算分析,揭示饱水岩石边坡倾覆稳定系数在不同的坡角、坡高、滑面倾角和张裂隙深度情况下随冻深变化的规律性,绘制饱水岩石边坡倾覆稳定系数与边坡几何要素之间的关系图;同时分析非饱水状况下岩石边坡倾覆稳定系数随冻深、坡角、坡高、滑面倾角、张裂隙积水深度等变化时的变化规律。研究表明,当考虑极端冰雪灾害影响时岩石边坡倾覆稳定系数发生较为明显的变化:随冻深、滑面倾角、张裂缝深度、坡高等的增大而下降,随坡角的减小而减小,冻结深度是影响岩石边坡倾覆稳定性的主要因素之一。