冻土工程国家重点实验室的回顾与展望

冻土工程国家重点实验室是我国唯一的一个以冻土工程为主要研究内容的综合性实验室，其建设和发展对促进我国冻土学的发展有非常重要的意义在迎来兰州冰川冻土研究所建所４０周年之际，冻土工程国家重点实验室也走过了近９年的历程回顾昨天，展望未来，只有紧紧把握冻土学科前沿，创新超前，解决国家在寒区经济和社会发展中提出的基础性、关键性和综合性的工程和资源环境问题，才能创建一流的国家重点实验室。

改良红层工程性能与环境耐久性研究进展

红层在我国东南、西南、西北地区广泛分布,因其膨胀收缩性、遇水崩解性、岩体软弱性等特点,往往不能直接作为填料应用于路基工程,必须进行物理或化学改良处理。通过文献调研,本文从红层崩解机理、工程改良方法、改良效果及环境耐久性等方面对国内外研究进行了梳理。并结合现有研究,提出未来应加强环境荷载(如干湿、冻融作用)及静、动荷载单独或耦合作用下改良红层的耐久性研究。

青藏铁路建设中的工程问题(概述)——物理与国家重点工程专题之一

青藏铁路格拉段始于青海省格尔木市(海拔高度为2800 m),终达西藏自治区的拉萨市(海拔高度达3800 m)。铁路沿线跨越6个纬度(北纬36°～30°),平均海拔高度4000 m以上,穿越昆仑山、风火山、唐古拉山,经过550 km终年冻结的多年冻土区。

青藏铁路建设工程中的通风管路基——物理与国家重点工程专题之二

多年冻土地区的主要工程问题是冻土地基的融化沉陷．在冻土地基为富含地下冰的情况下，建筑物热源的侵蚀作用，使冻土地基的地温升高，融化了地下冰，在建筑物基础下形成碟状的融化盘．融化的地基土在自重和建筑荷载作用下。

青藏铁路建设工程中热桩的应用——物理与国家重点工程专题之四

热桩(热管)是一种气液两相对流循环的导热系统.它是一根密封的管,里面填充一定量的工质(如氮、丙烷、CO2等),上端为散热片组成的冷凝器,下端为装有工质的蒸发器,中间为绝热段(图1).

青藏铁路工程中路基保温层的应用——物理与国家重点工程专题之六

天然条件下,多年冻土上限以上的土层是保护上限下多年冻土处于冻结状态,保持动态稳定的保护层,它是太阳辐射和热量平衡的产物.这层覆盖层的厚度取决于土层的导热性能,砂砾层的导热系数较大,覆盖层的厚度就大,泥炭的导热系数小,覆盖层的厚度就小.也就是说,砂砾石层的多年冻土上限较深,泥炭层的上限较浅.当然,多年冻土上限的变化不只是取决于覆盖层的岩性,还与地表层的性状有关,如植被覆盖度、地表形态等.

青藏铁路工程中遮阳棚(板)的应用——物理与国家重点工程专题之五

青藏高原地处中、低纬度,高海拔地区,太阳辐射十分强烈.根据有关资料介绍,青藏高原的辐射居全国之冠.这与海拔高、空气稀薄、大气洁净和晴朗天空有关.由于青藏高原的高亢的海拔,巨高的雪山和冰川,相对的低温和寒冷异常突出,年平均气温比同纬度的东部要低10～18℃.路基修筑改变着地面的性状,增大了太阳的直接辐射量,引起冻土地基的融化量.

青藏铁路建设工程中的碎块石调温路基——物理与国家重点工程专题之三

自然条件下的路基填料,粗颗粒土如砂砾石、碎石、块石等的导热系数都大于细颗粒土如粉质土、粉质黏土、黏土等,前者大约是后者的1.3～2倍,所以,多年冻土区的粗颗粒土的冻结、融化深度也大于细颗粒土.……

考虑双重剪切的开放系统梯形渠道Pasternak双参数冻土地基梁模型

Winkler冻土地基模型无法考虑土弹簧间相互作用,且需要预先假定切向冻结力分布。为克服这些不足之处,在现有模型基础上引入Pasternak剪切层反映冻土-衬砌间法向相互作用,引入切向弹簧组成的接触界面层反映冻土-衬砌间切向相互作用,构建考虑双重剪切的梯形渠道Pasternak双参数冻土地基模型。以塔里木灌区某渠道为例计算衬砌冻胀变形,并与材料力学法、Winkler模型计算值及观测值进行对比。结果表明:与材料力学法、Winkler模型相比,该文模型计算值更接近观测值。根据该模型估算的衬砌板易开裂范围也与灌区现场调查结果相符,表明模型适用性。通过参数研究分析了界面切向刚度kx对各处切向位移及切向冻结力分布的影响。结果表明:kx越小时,切向位移与切向冻结力趋于线性分布;kx较大时,两者均偏离线性分布且kx越大偏离越明显,线性分布假设不再适用。该模型可较充分地反映冻土与衬砌板间接触界面相互作用的基本特征,从而有效提高模型的计算精度。

湿干循环作用对冻土-复合土工布界面常法向应力剪切特性的影响试验研究

土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。

高海拔多年冻土区坡向对坡面近地表水热状态的影响

高海拔多年冻土区坡向差异可引起两坡面的温度场不对称,进而造成基础设施的不均匀沉陷和纵向裂缝。目前坡向效应的研究主要围绕青藏铁路东-西两个坡面而开展的监测与模拟研究,但高原线性工程走向可能涉及不同的方向,其他走向坡面的水热差异状态研究不足。本研究在青藏高原花石峡冻土观测基地建设了一个具有八个坡向的监测实体(称:八棱台),在八个坡面和顶面近地表安装土壤温度、含水量传感器,监测研究坡向差异对坡面近地表水热状态的影响。结果表明:东-西相对坡面近地表温度差异最小,月平均温差为0.1~2.3℃,最大温差出现在5月;而南-北相对坡面近地表温度差异最大,月平均温差为1.3~7.7℃,最大温差出现在2月。其余两个相对坡面近地表温差介于东-西相对坡面和南-北相对坡面之间,其中东北-西南相对坡面温差小于西北-东南相对坡面。仅从近地表坡面温度差异来看,高海拔多年冻土区线性工程南-北走向热稳定性较好,其次是西北-东南向,坡向效应不显著而温度场对称性较好。同样八个坡面近地表土壤体积含水量总体差异为东北-西南相对坡面差异最小,融化期月平均体积含水量差最大为0.06 m^(3)·m^(-3);东-西相对坡面差最大,同期月平均体积含水量差最大为0.11 m^(3)·m^(-3)。含水量差异也引起了不同坡面冻融循环次数的显著差异,对坡面块碎石护坡材料冻融损伤破坏有重要影响。研究结果对指导未来高原线性工程规划及现役工程阴阳坡差异病害治理具有重要指导意义。

充液率和倾角对多年冻土区重力热管传热性能的影响

为探讨热管最佳工况,搭建了适用于多年冻土区的氨-钢热管试验台。通过监测热管内部轴向、外壁的温度分布以及外壁面的热流密度变化,在负温条件下开展了不同充液率(20%、30%、40%)和倾角(10°、30°、50°、70°、90°)对热管传热性能影响的试验。试验结果表明:在三种充液率下,热管处于10°倾角时均温性最佳;充液率为30%和40%的热管倾角50°时总热阻最小、传热效率最高,充液率为20%条件下热管的总热阻和传热效率在倾角30°时分别达到极小值和最高值。总体而言,充液率为30%的热管具有最佳传热表现。

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)%。

基于DSR理论-综合云理论的中俄冻土区管道保温层效果失效类型研究

冻土区管道保温层效果与评价指标变化的随机性密切相关,以往冻土区管道保温层效果评价模型存在一定的局限性与不足。为了提升冻土区管道保温层效果模型的应用效果,本文基于驱动力-状态-响应(Driving force-State-Response,DSR)理论、综合云理论和迭代运算方法相结合的综合评价方法,构建适用于中俄冻土区管道保温层效果的评价模型。为了验证冻土区管道保温层效果评价模型的科学性,以中俄管道沿线(漠河—大庆段)四处典型监测区域MDX007、MDX113、MDX304和MDX364为实例,应用评价模型对管道保温层效果的失效类型和失效可能性概率进行了综合分析。结果表明:运用评价模型可以科学指导中俄原油管道保温层效果的评估,并依据相应的保温层效果失效类型结果给出对应的措施建议。综合云模型能够结合不同理论模型的优势,保证冻土工程环境评价的科学性,通过置信度值验证,具有良好的应用前景。研究成果可为中俄原油管线安全稳定运营提供战略性的科学支撑。

通风管、抛碎石和保温材料保护冻土路堤的工程效果分析

根据青藏铁路北麓河试验段2年以来的气温降温期的现场监测资料,对多年冻土区保护冻土路堤的3种典型结构型式的试验段(通风管路堤、抛碎石护坡路堤和保温材料路堤)各断面的地温规律进行了分析和积温计算。试验段初步计算结果表明,3种路基结构型式对于保护多年冻土区路堤均能起到一定的作用,为青藏铁路在多年冻土区保护冻土路堤的设计和施工提供了一定的理论依据。

青藏工程走廊冻土环境工程地质区划及评价

文章采取层次分析和综合评判的三级区划方法,分别考虑冻土的类型、热稳定性和含冰(水)量,将西大滩至安多间的青藏工程走廊划分为3个工程地质区、20个亚区和51个地段,按区(段)简要评价了冻土工程地质条件和寒区环境。文章对青藏工程走廊进行了较全面的冻土工程和寒区环境工程地质综合评价,能为工程设计、施工和运行维护、融冻灾害整治和环境管理提供科学依据。

青藏铁路主要冻土路基工程热稳定性及主要冻融灾害

在介绍青藏高原多年冻土退化背景及其工程影响的基础上,通过主要冻土路基现场监测和沿线调查,对青藏铁路冻土路基2002年以来的地温发展过程、热学稳定性及次生冻融灾害进行了分析。结果表明:青藏铁路自2006年通车后冻土路基整体稳定,列车运行速度达100 km/h,达到设计要求,但不同结构路基的热学稳定性不同,采取"主动冷却"方法的路基稳定性显著优于传统普通填土路基。管道通风路基、遮阳棚路基及U型块石路基冷却下伏多年冻土的效果显著,块石基底路基左右侧对称性较差,而处于强烈退化冻土区和高温冻土区的普通路基热稳定性差,需结合路基所在区域局地气候因素予以调整或补强。以热融性、冻胀性及冻融性灾害为主的次生冻融灾害对路基稳定性存在潜在危害,主要表现为路基沉陷、掩埋、侧向热侵蚀等,其中目前最为严重的病害是以路桥过渡段沉降为代表的热融性灾害。

中国-俄罗斯原油管道工程(漠河-大庆段)冻土工程地质考察与研究进展

在2005—2007年期间,先后3次对中国-俄罗斯原油管道漠河-大庆段沿线的冻土工程地质条件等进行科学考察,开展了冻土工程地质条件及其在气候变化和人类活动作用下的评价和预测研究.考察研究结果表明:管道沿线多年冻土在各类融区、季节冻土和水系等分隔作用下呈片状或岛状分布,沿线岛状、稀疏岛状及零星岛状占多年冻土区段的40%左右;管道沿线多年冻土随着气候的转暖和人类活动的影响不断退化.地形地貌单元、植被分布、地表水分条件的变化等局部因素对多年冻土的分布和地下冰的赋存产生重要的影响,管道沿线大约分布有50 km左右的沼泽湿地,其表层为腐殖质土及泥炭层,泥炭层下面分布着含土冰层或地下冰,是管道沿线最差的冻土工程地质地段;由于中俄原油管道沿线水系发育多,冻胀丘、冰椎和冰幔等不良冻土现象广泛分布.科学考察的成果为管道沿线冻土工程地质条件评价和预测、管道的稳定性影响分析以及后期的长期检测系统设置等研究奠定坚实的基础,进一步为即将开工的中俄原油管道漠河-大庆段工程的设计、施工提供科学依据.

解决青藏铁路建设中冻土工程问题的思路与思考

围绕青藏铁路冻土工程地质、气候变化对冻土及铁路路基稳定性、生态环境变化与保护问题,分析了青藏铁路工程建设中存在的冻土工程技术问题,提出了青藏铁路建设中应对这些问题的新思路:采取积极保护多年冻土的主动冷却路基的思路和动态设计思路,并给出了青藏铁路建设中下一步应思考和研究的问题。