青藏铁路隧道浅埋多年冻土区冻融特征分析

本文根据一个寒季末的地温观测资料，分析了昆仑山隧道的一个多年冻土沟谷地形的地温特征。采用数值模拟技术，模拟该沟谷地形地温变化情况，认为该区沟谷的冻融特征不同于非沟谷地形，其融化深度远大于该区的冻土上限，从而得出该冲沟存在一个未被冻结的通道；隧道工程对周边地温产生较大影响；最大冻结深度约10,受气温影响的最大融化深度不超过4m,本研究为再认识多年冻土区沟谷地形的冻融特征提供了一条途径。     

渗流对多年冻土区路基温度场影响的数值模拟

运用传热学理论和渗流理论导出了路堤侧向有地表积水入渗情形下,多年冻土区路基温度场渗流场耦合作用的控制微分方程,然后以现场观测资料为基础,用Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元方法对青康公路（２１４国道）花石峡冻土研究站１号试验路段路基温度场未来可能的变化状态进行了数值预报。结果表明,若无渗流作用,５ａ后路堤左侧天然地表、路堤堤身和路堤右侧天然地表的最大季节融深分别为１．４ｍ,３．２ｍ和１．４ｍ;若有渗流作用,则     

高原多年冻土隧道施工温度场控制的主要因素

施工温度场的控制对于多年冻土隧道的施工有着重要的意义. 结合青藏铁路昆仑山、风火山隧道的设计与施工, 通过对施工过程中环境温度的测试, 综合分析冻土稳定、混凝土施工、施工人员及施工机械等各方面的因素对施工环境温度的要求, 提出了适合于青藏铁路高原多年冻土隧道的施工环境温度控制范围.     

青藏高原多年冻土区埋地输气管道周围温度场数值分析

通过建立管道与多年冻土热相互作用的计算模型,利用数值分析方法探究了不同管温（输运温度）工况下冷输天然气管道对管周土体冻融过程和多年冻土热稳定性的影响。研究表明：5℃正温输运天然气管道可造成下覆冻土上限下降约11倍管径,管周多年冻土退化严重;0℃输运会导致管底下部高温不稳定冻土范围扩大,管底土体强度及承载性能降低,不利于保持多年冻土和管道运营稳定性;-1℃和-5℃负温输运可有效提高冻土人为上限,保持管底冻土温度稳定,但-5℃时管道下部土体温度降低明显,可能导致冻胀病害发生。就管周冻土热稳定性而言,在青藏高原多年冻土区采用冷输（负温输送）工艺输运天然气有利于保护管周多年冻土,是可行的。     

多年冻土地区隧道涌水量的估算方法研究

文章归纳总结了一般山岭隧道涌水量计算方法,并根据多年冻土地区隧道的特殊性,提出了多年冻土地区隧道涌水量计算应该分段进行的原则,同时根据热传导原理,提出了昆仑山隧道最大涌水量的计算公式.     

北极多年冻土区埋地输气管道周边温度场数值分析

以北极规划输气管道工程为依托,建立埋地管道与冻土热交换相互作用数值计算模型,探究了埋地管道在连续多年冻土区、非连续多年冻土区和季节冻土区内,按照不同操作温度(5、-1和-5℃)运行情况下管道周围冻土温度演化过程.计算结果表明:同一区域不同管温对冻土上限值影响差异较大,尤其是在非连续多年冻土区,无论管道是正温输送还是负温输送,由于管道的运营,极大地影响了冻土上限值.5℃正温管道将导致冻土上限下降1～3倍管径;-1℃和-5℃负温管道将有助于提高冻土人为上限.建议在连续多年冻土区管道采用-1℃输送温度;在非连续多年冻土区冬季采用-1℃输送温度,夏季可以是正温,接近环境大气温度,但全年输气平均温度要小于0℃;在季节冻土区,若按照负温输送,反而容易引起管基土冻胀,建议输气温度不作特别控制,与温带地区管道类似,正温输送.希望能够为北极多年冻土区天然气管道建设提供新的思路.     

温度场控制在多年冻土隧道施工中的作用

多年冻土隧道工程首先遇到的问题是如何解决开挖与衬砌的矛盾,因为开挖作业与衬砌施工所需的温度场不同,隧道开挖需要较低的温度场以利于无支护毛洞的稳定,而衬砌施工需要较高的温度场以利于混凝土强度的增长。通过数值模拟分析,提出多年冻土隧道施工温度场的控制参数,并将多年冻土隧道的开挖施工划分为4个阶段：安全施工阶段、相对安全阶段、安全预警阶段和安全隐患阶段。根据这4个阶段的特征,提出各个阶段应采取的相应工程措施,尽可能降低施工风险。通过全方位监测隧道洞内温度场的变化,指导开挖和衬砌的施工。     

多年冻土边坡的水热力耦合分析及软件开发

为了快速准确掌握多年冻土边坡的冻融反应规律,基于水热力耦合理论,依托MATLAB编制了能反应土体多场耦合机制的有限元程序,与经典试验对比吻合较好,验证了程序的可靠性。据此开发了一套可独立运行、操作简便的多年冻土边坡水热力耦合分析软件,介绍了软件的功能和开发过程。结合算例分析了冻融作用下冻土边坡的反应特性,结果表明:不同时刻边坡的温度、水分、应力和位移有明显差别,在坡面冻融交界面出现剪应力最大值条带,边坡水平位移在冻结完成时,沿坡面大小基本相同,融化期结束时为上小、下大,融化时边坡的水平位移、未冻水含量均比冻结时大,而剪应力最大值却小;暖季多年冻土稳定性较差,开发的软件对冻土边坡工程冻融计算有重要应用价值。     

多年冻土隧道工程的施工控制与预报

多年冻土隧道工程开挖施工的稳定性受深层和浅层稳定的影响。通过深层稳定分析选择开挖方案及对浅层稳定分析,评价开挖施工的安全状态,以指导施工作;通过实时监控隧道收敛值和施工温度场的变化,将深、浅层稳定评估子系统与实际工程联系起来,以实现多年冻土隧道工程的施工控制与预报。     

用施工状态的数值模拟来指导隧道设计

招宝山隧道是由两条平行的，毛跨约１４ｍ的隧道组成的城市高速路隧道。通过施工状态的数值模拟对隧道围岩的位移和应力状态进行研究，以确定围岩的稳定性及可能发生破坏的位置及破坏方式，并据此作为设计的依据之一。     

岛状多年冻土管道周围热-水-应力耦合数值模拟

考虑大气温度以及管内流动介质温度的影响,建立由多个土层构成的岛状冻土物理模型,研究塔河地区埋地输油管道周围热-水-应力（T-H-M）耦合作用,分析水-热-应力耦合作用下管道的受力情况并进行管道强度验算。采用多物理场耦合软件COMSOL Multiphysics进行数值模拟,计算在T-H-M三场耦合及非耦合两种工况下岛状多年冻土管道周围应力和沉降曲线等。分析比较表明,岛状多年冻土区的温度,冰水相变以及水分迁移对应力场存在较大的影响;水分场、温度场以及应力场三者之间耦合作用明显;岛状冻土随季节呈周期性冻融,管道周围出现较大应力集中和沉降现象,会对管道安全产生一定影响。     

上边界条件对多年冻土地温场数值模拟结果的影响分析

以玛多地区多年冻土为背景,建立多年冻土地温场的数值计算模型,以不同的方式考虑近 60 a 来的气温变化构成不同的上边界条件,通过模型计算分析不同上边界条件下的不同时期温度场、未来冻土退化特征.结果表明：在上边界条件中采用气象站实测近60 a波动温度值和采用近60 a平均恒定值时,浅层冻土地温差异明显,且越浅层地温与越近时间的上边界条件相关.预测未来100 a冻土地温变化趋势发现,相同升温速率和升温初始温度条件下,上边界采用实测60 a波动温度值对冻土退化过程影响较小;升温初始温度值提高到与趋势线衔接后,冻土退化起始时间从约第45年提前到约第20年;60 a实测温度和升温初始温度值均提高到与其初始温度场上边界条件衔接后,冻土退化起始时间从约第20年提前到约第15年;冻土退化从开始到完全退化经历时间为25 a左右.     

风沙堆积对下伏多年冻土影响的数值模拟

青藏高原沙漠化所产生的风沙堆积作为一种重要局地因素,其对下伏多年冻土的具体影响目前尚未清楚。通过数值方式,模拟了红梁河沙害严重地区高温退化型多年冻土在13种厚度的干湿风积沙覆盖下10年内的变化情况。结果表明：在土体浅层,沙层越厚,地温较差越小,且干沙下地温较差变化幅度明显大于湿沙;干沙越厚,最大季节融深越小,湿沙则对最大季节融深影响微弱;积沙无论干湿,沙层越厚,冷暖季年热循环量均越小,且干沙下年热循环量变化幅度明显大于湿沙。因此,风积沙对其下伏多年冻土退化有不同程度减缓,沙层越厚,减缓作用越强,且干沙减缓多年冻土退化的能力明显强于湿沙。     

多年冻土区灌注桩竖向抗拔承载力试验研究

为研究多年冻土区桥梁及建筑物桩基抗冻拔的能力和变形性质,结合青藏铁路试验段工程,对青藏高原高温细颗粒多年冻土区钻孔灌注扩底桩和直孔桩现场抗拔力试验进行了研究,得到了两种桩型在同一地质和地温条件下的抗拔承载力及变形的试验结果。依据地温测试资料的分析,给出了桩-土体系回冻时间及地温变化特征。研究成果可为类似条件下抗冻拔桩基础设计与施工提供参考。     

青藏铁路冻土区土体冷生过程对路基变形影响

一般地区路基土体变形主要受土体压密过程控制,青藏铁路冻土路基变形则主要是受土体冷生过程影响和控制。通过对填土路基修筑后土体冷生过程以及工程实测数据分析,指出冻融过程不同阶段冻土路基变形与土体冷生过程有着密切关系。认为控制填土路基冷生过程稳定时间和填土路基地温场形态,是减少冷生过程和铁路长期运营过程中路基变形、保证冻土区路基工程长期稳定性的有效途径。此认识已经在青藏铁路冻土区路基工程建设实践中得到证明。     

下边界条件对多年冻土温度场变化数值模拟的影响

在气候变暖背景下,北半球多年冻土呈现不同程度的退化趋势,冻土升温、活动层增厚、地下冰消融改变了区域工程地质条件、地形地貌,不仅对寒区环境和工程稳定性造成潜在的威胁,还影响着这些地区的气候、水文和生态过程.因此,准确评估和预估多年冻土热状况的变化具有重要科学和实践意义.现有用于模拟多年冻土热状况的各类模式重点考虑了近地表...     

煤矿井工开采对冻土环境的影响分析

在多年冻土区进行煤矿井工开采,冻土稳定性是影响煤矿开采的制约性因素。采用数值模拟方法分析煤矿井工开采对冻土环境的影响。研究结果表明,最大融深随时间呈增大趋势;沿井壁深度,最大融深逐年增加,在多年冻土与季节冻土的交界附近,最大融深增加较快。由于开采巷道横截面较小,在有效的冻土保护措施下,井壁周围多年冻土温度升高幅度不会太大,因而井工开采会对井壁周围多年冻土造成一定影响,但不会造成大面积冻土的融化变形。