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。

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。

季节性冻土区高速铁路路基冻深研究

针对季节性冻土区高速铁路路基冻胀的最大变形量应小于5mm的严格要求,开展季节性冻土区高速铁路路基冻深的研究。在综合分析国内外相关冻深求解方法的基础上,提出采用改进的Berggren法计算高速铁路路基设计冻深的公式。该公式考虑了路基的热力特性、气象条件以及地基条件,适用于特性各异的多层土路基。运用现场监测和基于比奥固结理论的有限元仿真分析方法及改进Berggren法,对某典型冻土区段高速铁路的路基冻胀及温度场和位移场进行测量、计算和分析,结果表明:路基冻深的发展历经较浅且小幅波动、向下快速发展且达到最大、逐渐减小和浅层小幅波动等阶段;路基冻胀变形主要发生在冻深的70%范围内;该典型冻土区段最大冻深的有限元仿真计算值为1.98m,改进的Berggren法计算值为1.94m,与实际监测值1.90m的计算误差分别仅为4.2%和2.4%,表明有限元仿真分析方法和改进的Berggren法均为确定路基冻深的有效手段。

青藏高原冻土区活动层厚度分布模拟

活动层夏季融化、冬季冻结的近地表土(岩)层,是冻土地区热力动态最活跃的岩层,在冻土研究中有着重要意义.根据青藏高原地区80个气象观测台站1991—2000年的地面温度观测资料结合数字高程模型,计算出青藏高原冻土区的地面冻结指数和地面融化指数,然后应用斯蒂芬公式分别得到多年冻土区的季节融化深度和季节冻土区的季节冻结深度.

新疆阿勒泰地区积雪变化特征及其对冻土的影响

依据新疆阿勒泰地区气象台站观测的1961-2011年最大积雪深度、积雪日数资料与安装在库威水文站的雪特性站观测的积雪密度资料,讨论了新疆阿勒泰地区积雪的变化特征.结果表明:阿勒泰地区近50a来最大积雪深度变化均呈显著增加的趋势,且西部最大积雪深增加趋势大于东部.积雪日数变化较为复杂,在空间分布上有差异,位于最东面的富蕴和青河50a来积雪日数呈减少趋势,其余各站均为增加趋势,且东部历年平均积雪日数略高于西部,积雪日数的增加趋势比最大积雪深度增长得平缓.2011年8月-2012年9月在阿勒泰额尔齐斯河上游库威水文站架设的雪特性站观测资料表明,在额尔齐斯河源头高山区冬季积雪主要是空心化的密实化过程,升华可能是其主要的物质损失过程,引起升华的主要气象要素是气温、风速和水汽压.各站月最大冻结深度与海拔关系较为密切,随海拔的增加而增大.积雪20cm厚是积雪对下伏土壤冻结影响的一个界限,积雪厚度超过20cm就有一定的保温作用;积雪超过40cm时,气温变化对下伏土壤冻结的影响保持稳定,冻结深度也达到稳定值;但当积雪厚度超过70cm之后,冻结深度会再次发生变化,可能是由于地温从下向上的影响或地温不能与气温交换而产生的又一次变化.

季节性冻土区引水暗渠的临界埋深数值分析

在季节性冻土地区,输水暗渠受低温作用,不但引起混凝土结构的冻胀破坏,还将影响暗渠内的引水水体温度,导致水体结冰及暗渠阻塞.因此,需要对季节性冻土地区的暗渠结构在不同埋深情况下的温度场进行数值计算,确定其临界埋深.通过瞬态温度场的导热微分方程,采用迦辽金法推导出温度场的二维有限元公式,根据甘肃引洮工程的工程地质勘探报告及施工设计图纸,建立了暗渠数值计算模型.通过数值分析可知:埋深越大,对渠体结构的冻胀影响越小,低温季节时,地表低温对引水运行的影响也越小;通过对低温季节环境下的回归拟合分析,得出该地区季节性冻土中引水暗渠的临界埋深为3.31 m.

青藏铁路北麓河试验段地温分布对比分析研究

考虑相变和全球气温升高的影响,利用数值分析方法,对青藏铁路目前惟一的L型支挡结构的温度场进行了数值模拟。通过建立路基温度场有限元模型,选取适当的边界条件、初始条件及热学计算参数,计算北麓河试验路基断面10 a内的地温变化情况,并与2 a的地温实际测试资料进行对比分析。冻土融化深度数值计算和实测数据吻合较好,反映地温对气温变化的滞后响应特性,表明计算模型是可信的,计算结果可供参考。未来10 a的数值计算结果表明:最大融深(或冻土上限)没有下降,表明冻土已经形成新的平衡,冻土上限稳定。可以预见该土工结构最终会达到一个稳定的热平衡状态,表明L型这种柔性支挡结构应用于多年冻土地区是适宜的。

辽宁朝阳地区季节冻土最大冻土深度和持续冻结时间与气候变化的响应研究

利用辽宁省朝阳市气象站1960-2015年的最大季节冻土深度、最长连续冻结时间的起始日和终止日数据,采用小波分析方法对朝阳地区季节性冻土的年际变化特征进行分析,并探讨影响季节性冻土发育的影响因素。结果表明:朝阳地区最大冻土冻结深度存在4种尺度上的周期震荡,其周期分别为23~32 a、16~22 a、10~15 a和4~9 a。冻土年际变化的转折期发生在20世纪90年代初,表明朝阳市冬季气候转暖的时间段也发生在90年代初。通过对气温与季节性冻土冻结深度以及冻结时间的相关性分析,得出气候变暖对朝阳市季节冻土影响显著,冬季平均气温和冬季最低气温是影响朝阳市季节冻土发育的重要因素,其中冬季气温日较差对其影响尤为明显。冬季最低气温与冻土主冻期时间关系最为密切,而影响主冻期结束时间的热力因子为冬季平均最高气温。

西藏纳木错流域冻土环境初步研究

利用在西藏纳木错流域念青唐古拉山北坡(NQN,海拔5400m)和西北保吉乡(BJ,海拔4730m)布设的两台带有四层土壤探头自动气象站(AWS)2005—2006年冬季10个月观测数据进行了统计分析。结果表明:观测期间NQN日及月平均气温均低于BJ,但变化幅度均小于BJ,土壤冻结时间比BJ长,两处的气温梯度为0.31℃/100m。与安多月平均气温比较,推断NQN存在高山多年冻土。NQN大气—土壤及土壤内热传输速度快于BJ;冻结期内土壤中未冻水含量在0^-2.5℃时发生跃变且与土壤温度存在较好的线性关系;相同深度处NQN土未冻水含量较小。土壤温度日变化在0~40cm深度处较明显,40cm深度以下变化很小,未冻水含量日变化在5cm深度较明显,20cm以下变化微弱。利用两观测点冻结深度(Df)与冻结积温(Tg)的良好相关建立模型,NQN为:Df-n=0.0016Tg+1.69,R2=0.9958;BJ为:Df-b=0.002Tg+1.13,R2=0.9424,并由此推断出两观测点最大季节冻结深度分别为1.69m和1.13m。

季节性冻土地区土壤冻结深度的研究

季节性冻土在新疆分布广泛,冰冻期长达3-6个月之久。因此,抗冻设计是工程建设中必须重视的问题。其中冻土深度的合理确定是季节冻土区防冻设计的主要内容之一。本文通过调查研究和理论分析,对影响土壤冻结深度的气温、地下水位、土质和含水量等因素进行了分析探讨,提出了冻土深度合理的取值方法,为工程建设提供有益的参考。

冻土场地地震加速度反应谱研究

根据波动理论考虑土体的非线性,得到地震反应谱的解答,应用求解水平层状场地地震反应谱的等效线性化程序,数值求解不同负温、不同覆盖层厚度多年冻土场地的地震加速度反应谱,季节冻土场地冬夏季地震加速度反应谱。计算结果表明:负温对多年冻土场地加速度反应谱的影响显著,随着冻结温度的降低,加速度反应谱的加速度峰值逐渐降低,并且其峰值前移,场地卓越周期减小;随着冻土覆盖层厚度的增加,反应谱峰值先增大后减小;季节冻土场地夏季的地震反应高于冬季,但在短周期阶段也出现了反超的现象。

人工水平冻结地表融沉规律的数值分析

人工水平冻结法施工中解冻融缩与地表移动问题是其首要的环境岩土工程问题,预测和控制融沉量是冻结法能否成功实施的关键因素.通过系统数值试验研究各冻结设计参数对人工水平冻结地表融沉的影响规律.研究表明:地表最大融沉位移随冻结壁厚度、隧道半径、融沉系数的增大而增大,随隧道埋深的增大而减小,各参数对人工冻结引起地表融沉的影响效果由大到小排序依次是土体融沉系数、冻结壁厚度、隧道半径、隧道埋深.根据数值模拟结果,建议在实际工程中,采用强制解冻,跟踪注浆;减少冻结时间即减少冻结壁厚度;以降低土体中的初始含水量即减小融沉系数等措施来减小融沉及其对周围环境的影响.

严寒地区客专路堤阴阳面地温及变形差异分析

基于对寒区哈(尔滨)齐(齐哈尔)铁路客运专线泰康试验段路堤的地温与变形监测资料分析,研究了严寒地区路堤阴阳面的地温和变形差异。测试和计算结果表明:(1)右侧(阴面)路肩和坡脚的最大冻深均大于左侧(阳面)相同位置;(2)地温大多数时间呈左高右低现象,同时阴、阳坡路基浅层相应深度处的温差不会随时间推移和埋深增大而完全消失,但阴、阳坡路基温差逐年减小并趋于恒定,且温差波动幅度随埋深逐渐减小;(3)基床表层阴、阳面各测点的冻胀起始时间一致,而阴面的融沉起始时间却比阳面晚一个月;当路堤浅层地温处于-2~0℃且冻结层上下同时发生融化时,路基冻胀显著,此时产生的冻胀量占总冻胀量的40%左右;(4)施工完成初期,路堤浅层和基底在阳面的累积沉降量较阴面大;距离坡脚越近,基底阴阳面沉降差异越明显,但该差异逐年减小。由此表明,即使有保温护道保护严寒地区冻土路基,经历多次冻融循环后,路基阴阳坡差异受外界气温影响仍然存在,但随时间推移逐渐趋于稳定。建议在严寒地区冻土路基的阳坡侧采取降低地温的措施,减小阴阳坡地温和变形差异,保持冻土路堤的整体稳定性。

季节冻土山区公路路基阴阳坡效应及其防治措施研究

大量工程实践表明,在寒冷山区公路建设过程中,路基阴阳坡效应对冻土区路基的稳定性具有重要影响。以甘肃省南部山区季节冻土路基为例,基于新建宕昌—迭部二级公路试验段的现场监测资料,分析了季节冻土山区公路路基阴阳面的地温和变形差异,提出针对性的两种新型防治措施——措施A(阴坡侧路基下半幅铺设10 cm厚XPS板,阳坡侧路基下半幅铺设6 cm厚XPS板)和措施B(路基下满幅+阴坡坡面铺设6 cm厚XPS板),并通过数值模拟分析了这两种措施控制路基阴阳坡效应的效果。结果表明,在甘肃南部季节冻土山区,山体遮挡作用使公路路基阴阳坡发生转换,对路基横向地温的影响不容忽视,试验段K18+180段阴坡路肩与阳坡路肩地温最大相差6℃左右,公路路基横向地温存在显著的阴阳坡效应。地温的横向差异导致公路路基土体冻深和冻胀变形的横向差异,两个试验段路基中心与阳坡路肩的最大季节冻深在第一个、第二个冻结期内均相差约0.8 m和0.9 m,K18+180段阴阳坡路肩冻胀量差值的最大值为2.8 mm,出现在春融初期。路堤高度为1.0 m、2.0 m时,措施A和措施B都能显著地减小公路路基阴阳坡温度差异,并且控制效果明显优于普通措施(满幅铺设8 cm厚XPS板、满幅铺设6 cm厚XPS板)。建议季节冻土山区公路设计时应充分考虑山体遮挡这一局地因素对路基土体冻融状态的影响,并采取阴阳坡两侧差异设计的结构型式,以减少因阴阳坡现象导致的路基病害。研究结果可为季节冻土山区路基阴阳坡效应及其防治研究以及冻害研究提供参考和借鉴。

东北冻土区积雪深度时空变化遥感分析

积雪作为冰冻圈的重要组成部分,对地面有保温作用,在消融时又吸收热量降低地面温度,影响冻土发育,对气候的变化十分敏感。利用微波遥感数据1979-2014年逐日中国雪深长时间序列数据集,采用GIS空间分析和地学统计方法,分析了东北冻土区积雪深度的时空变化规律及其异常变化。结果表明,东北冻土区多年平均雪深为2.92 cm,年平均雪深最高值出现在岛状多年冻土区,最低值出现在季节冻土区。东北冻土区年平均积雪深度变化以减少为主,占区域面积的39.77%,减少速率为0.07 cm·(10a)^(-1)。东北冻土区年平均积雪深度在1986年发生突变,开始出现减少的趋势,这与气温突变年份较为吻合。受地形和气温变化影响,年平均积雪深度减少的敏感区域主要发生在岛状多年冻土区。气温是影响东北冻土区年平均积雪深度变化最主要的因素,降水量、风速、湿度、日照时数对积雪深度均有影响。季节冻土区积雪深度对气候的敏感性要大于多年冻土区。

气候变暖背景下青海三江源区季节冻土冻融特征研究

青海三江源区是全球气候变化的敏感区和生态环境脆弱区,目前正面临着冻土退化的问题。本研究基于三江源区18个国家气象站1961—2021年气象观测资料,对气候变暖前后季节冻土冻融特征进行对比分析。结果表明:三江源区年平均气温为-0.34℃,呈东高西低分布,总体以0.38℃·(10a)^(-1)的速率上升,并在1997年发生突变,突变后气温显著升高。平均年最大季节冻结深度为142.5 cm,自西北向东南减小,总体以2.4 cm·(10a)^(-1)速率退化,与变暖前相比减少了11 cm。平均地表冻结初日为10月24日,以1.0 d·(10a)^(-1)速率推迟,平均地表冻结终日为5月18日,以3.3 d·(10a)^(-1)速率提前,与变暖前相比,地表冻结终日提前了12 d,地表冻结初日推迟了14 d。季节冻土平均冻结时间为133.9 d,呈西高东低分布,总体以1.9 d·(10a)^(-1)速率减少,与变暖前相比减少了8.8 d。年最大冻结深度及冻结时间分别在2004年和2002年发生突变,相比气温均有一定滞后。这说明,季节冻土在受气温变化影响同时,还受地形、人类活动等其他因素影响。该研究揭示了三江源区季节冻土冻结作用弱化的现象,研究成果可为应对气候变化、工程建设等提供参考。

玉门镇附近地区季节冻土特征及冻胀分区

区域性的气候条件控制了该区季节冻土形成、发展和消亡的一般规律和特征,地貌单元是区内季节冻土发育最重要的地域分异因素,地下水埋深是细土平原上冻土发育差异的主要原因,人为活动对冻土条件影响极大。依地貌单元和地下埋深可对区内季节冻土进行冻胀的自然区划。

新疆冬春季积雪及温度对冻土深度的影响分析

利用新疆64个气象台站1960-2010年的气象资料,分析了新疆50 a来冻土深度的变化趋势,并讨论了温度(平均地温、平均气温)、降水(冬春季年降水、平均积雪深度)与冻土深度(平均冻土深度、最大冻土深度)的相关关系.结果表明:以10 a时段的年代际变化分析,新疆50 a来平均冻土深度和最大冻土深度均呈明显减小趋势.50 a来平均冻土深度全疆、北疆、南疆分别减小了约7 cm、10 cm、4 cm,最大冻土深度则分别减小了约11 cm、16 cm、9 cm.新疆50 a来平均气温和平均地温均呈波动上升趋势,且与冻土深度均有着良好的相关性,其与平均冻土深度的相关系数分别达到了-0.67、-0.77,与最大冻土深度的相关系数也分别达到了-0.51、-0.65,地温与气温的上升对应着冻土深度的减小.新疆冬春季年降水与冻土深度有着较好的相关性,其与平均冻土深度、最大冻土深度的相关系数分别达到了-0.40、-0.37.新疆的平均积雪深度与冻土深度也有着一定的弱相关,其原因与积雪对地面的保温作用有关.

季节性冻土区黏土冻结深度预测

合理确定冻结深度是季节性冻土区防冻设计的关键,为研究季节性冻土区黏土的冻结深度,统计了中国部分季节性冻土地区气温,获得了这些地区的气温特征,以此确定了室内试验的温度边界条件,开展了10%、20%、30%3种不同质量含水量的单向冻融循环试验。研究结果表明,10%、20%、30%3个试样的最大冻结深度分别为28、15、12 cm;鲁基扬诺夫公式预测值较Stephan公式、《建筑地基基础设计规范》公式、《冻土地区建筑地基基础设计规范》与《冻土工程地质勘察规范》公式的预测值更准确;利用未冻水体积含水率修正了《冻土地区建筑地基基础设计规范》的冻结深度计算值,其误差在6%之内,因而建议在季节性冻土区的黏土地区用该修正公式计算设计冻结深度。