冻土冻胀模型研究现状与进展

随着"一带一路"和极地开发战略的推进,寒区重点工程快速发展。土体冻胀现象对寒区工程运行的稳定性造成了巨大危害,是寒区工程建设中迫切需要解决的问题。冻胀模型是了解冻胀机理、模拟冻胀过程和指导抗冻害措施设计的基础理论。国内外相关领域学者在不同假设条件下提出了许多冻胀模型。为了更加明晰冻胀发生的机理、理清不同冻胀模型的适用范围、提高抗冻害措施的效果,本文总结了理论分析中常用的几种冻胀模型,评价了各种冻胀模型在实际使用中的合理性及不足,介绍了冻胀模型研究的发展趋势及面临的问题。最后,描述了寒区工程冻害现状,并从土质、水分和温度等引起冻害的关键因素出发,与冻胀模型相结合,分析各种抗冻胀措施在工程中的应用效果。     

我国公路涎流冰病害调查及防治研究进展

随着我国交通基础设施建设的快速发展,寒区公路工程面临的病害问题也越来越多。公路涎流冰病害作为冻土区亟待解决的主要工程病害之一,逐渐引起科研和工程技术人员的重视。基于前人的研究基础,归纳总结了我国公路涎流冰病害的分布区域和特点,探讨了公路涎流冰的形成机理和主要影响因素,分析了公路涎流冰病害防治措施的现状。在此基础上展望了今后公路涎流冰理论和防治的研究方向：（1）开展季节性冻融作用下区域水文、地下水流动特征、溢流发生机理和孔隙水压力变化规律研究,进一步探究公路涎流冰的形成机理;（2）开展公路涎流冰野外综合观测和各种因素（气候、水文条件、人类工程活动等）对公路涎流冰影响程度的定量分析;（3）开展新型综合防治措施的应用研究,为我国公路涎流冰病害防治提供更为有效的工程对策。     

森林冰冻害的分析及其防治对策

本文根据长江中下游地区近500年气候史料和解放后20余年该区森林冰冻害调查资科,对森林冰冻害进行了综合分析,并提出了可行性的防治对策。     

冰凌灾害研究的一个重要课题——冰荷载计算分析与研究

冰对构造物的破坏,越来越引起人们的关注.如何确定作用于结构上的冰荷载,已成为工程设计中必须考虑的安全因素,规范法、公式法是冰荷载常用的计算方法.对国内外有关冰荷载计算公式的优缺点进行了分析与评价,提出对于D/h≤6的窄结构,使用多系数公式计算冰荷载是比较合理的,而前苏联规范比较适合宽尺度直立结构物的冰荷载计算;通过实验验证分析认为,在我国,按照规范进行计算,还是比较符合实际的.     

复合填料一维冻胀量数值模拟分析

复合填料是以废铸砂、粉煤灰、聚苯乙烯颗粒(EPS)、水泥和水为原料,拌合后形成的一种轻质填筑材料。其中,EPS颗粒含量适当时,能减少或消除复合填料的冻胀和融沉,可作为季节性冻土区的路基填料。假设复合填料中除EPS颗粒外的骨料颗粒、孔隙冰为刚性介质,同时考虑EPS颗粒变形和填料孔隙变形对复合填料冻结过程的影响,在已有的冻土水热耦合分离冰模型的基础上,得到考虑EPS颗粒变形影响的饱和填料一维冻结水热耦合控制方程,进而预测填料的冻胀量。与室内模型试验结果对比表明,本文模型可用于该种具有弹性颗粒复合填料的冻胀量模拟,为工程中冻胀量预测提供依据。     

寒区土体一维水-热-力耦合模型与数值分析

寒区土体的冻胀融沉特性对结构物稳定带来极大挑战,冻土冻融作用机理的研究对寒区冻融灾害预防具有极其重大的意义。文中通过质量守恒定律以及能量守恒定律建立寒区一维土柱水分场、温度场数值模型,考虑冰水相变引起土体内部应力变化以建立应力场。构建一维非饱和土柱水热力耦合模型,通过与已有研究比对以验证三场耦合数值模型的准确性。研究表明：冻结锋面随冻结时间不断下移。在冻结初期,冻结锋面下移速度较快,在冻结后期冻结速度变缓,且土柱内温度成近似线性分布趋势。土柱内水分场在冻结锋面处出现明显的S形曲线。在冻结条件下,土柱发生竖向的冻胀变形,模拟结果与已有试验数据吻合良好,验证了该模型的合理性以及准确性。     

地铁荷载下宁波软黏土冻融水泥土动力学特性研究∗

在复杂软弱地层条件下,为有效抑制人工冻结冻胀融沉,可采用水泥土改良后人工冻结二次加固,水泥土冻融后的动力学特性,对地铁隧道长期运营至关重要。运用 GDS 动三轴仪研究水泥掺入比、振动频率及振次对冻融水泥土动应变、动弹性模量及动阻尼的影响。结果表明:冻融水泥土水泥掺入比越大,滞回圈面积越小,呈现先快后慢发展的趋势,其累积塑性应变最大减小 50%;在其它条件相同情况下,动弹模随振动次数的增加而非线性减小,随振动频率升高、水泥掺入比的增大而线性增大;动阻尼比随振动次数的增加而非线性增加,随振动频率升高、水泥掺入比的增大而线性减小,并存在变化临界值;软土水泥土冻融前后的动力学特性有一定差异,一次冻融后的强度较冻融前减小 6%;工程中联络通道周围产生非均质冻融水泥土水泥掺量应大于 5%;地铁长期循环荷载的后期作用对软土水泥土加固冻融后的动力学特性影响很小,工程中可以不予考虑。     

多次冻融循环人工盐渍土路基模型试验研究∗

青藏铁路西宁至格尔木段为典型的季节性冻土区铁路,冻害频发,严重影响铁路的正常使用和安全运营,为了整治路基体发生冻害,结合成熟的注浆技术和传统撒盐法,提出注盐法整治路基冻害。在室内模型箱中填筑实体模型,进行封闭系统中多次冻融循环条件下人工盐渍土路基模型试验,探究人工盐渍土路基中温度、水分、盐分以及变形规律,验证注盐法整治路基冻害的可行性。试验结果表明：路基土体内温度变化趋势符合环境温度变化趋势的余弦函数变化波动规律,土体内温度变化较环境温度变化推迟36 h左右;温度梯度是引起水分迁移的主要因素,越接近冷端,迁移量越大,在冻结锋面处达到最大;在封闭系统中,盐分随着水分向冷端运移,但是盐分运移量较低,随着周期的推进,盐分呈逐渐降低的趋势;随着温度的周期性变化路基顶面的变形呈现出有规律的冻胀和融沉现象,但是最大冻胀量为0.08 mm,可见路基盐化之后路基土体基本不产生冻胀变形。     

多年冻土区冻融灾害风险性评价

青藏高原多年冻土区由于自然环境变化和人为活动的影响,不少区域存在如热融滑塌、冻胀丘、融沉、冻胀等与冻土变化相关的冻融灾害。冻融灾害的存在与发展给冻土区环境与开发带来极大影响。在广泛现场调查和查阅相关资料的基础上,分析了各种灾害的形成机制以及冻融灾害的主要影响因素。结合地质灾害形成机理和多年冻土区工程建设的实际情况,确定了以岩土性质、活动层厚度、植被覆盖度、坡度、海拔、纬度为内因,年平均气温变化、人为活动为外因的评价模式。评价结果表明,整个青藏高原在现状条件下以中低风险性为主。中高风险区主要分布在年平均地温较高、人类活动强度较大的区域。     

季冻区山岭公路隧道冻胀力学特征数值模拟研究

季冻区的极端低温气候严重威胁着隧道的运营安全,围岩的冻胀作用是隧道冻害发生的外力根源。以吉林省某高速公路隧道为例,基于伴有相变的瞬态传热理论和abaqus有限元模型模拟了围岩冻结温度场动态分布规律以及围岩冻胀后的衬砌内力及变形特征。计算结果表明围岩冻结从拱部开始发生,发展至边墙,最后延伸至仰拱底部形成冻结圈;冻结深度的分布规律为拱部边墙仰拱;冻结发展速度与气温变化相关,但表现出一定的滞后性。围岩冻胀后,衬砌整体呈现"横鸭蛋"的收缩变形趋势,边墙水平收敛和仰拱不均匀隆起影响最大,边墙与仰拱连接处出现的应力集中也可能会影响结构整体的稳定性。此外,冻胀引起的衬砌转角变形在距离拱顶48°和96°处达到正负峰值,可视为冻胀敏感点作为转角监测的最优布设点。     

典型地质灾害链式机理研究

滑坡、泥石流与危岩是典型的地质灾害,每年由其造成的损失占到所有地质灾害的一半以上,针对典型地质灾害的链式规律进行深入研究,对于防灾减灾具有重大意义。从典型地质灾害的形成、发展过程入手,将灾害过程视为链式过程,将人为的工程防护治理措施视为断链过程。一个完整的链式过程包括致灾环、激发环、损害环和断链环。致灾环主要是由地质构造而形成的地质因素构成,激发环主要是由暴雨、地震、冰雪融水等非地质因素构成,损害环是由灾害发生后形成的灾害损失构成,断链环则是指工程治理与防护措施。     

盐渍土与混凝土衬砌冻结强度直剪试验研究∗

盐渍土、冻土作为特殊土一直是岩土工程领域研究的热点,但盐渍化冻土与结构之间的相互作用却鲜有报道。为研究山东季冻区、盐碱地渠系工程破坏问题,开展了氯盐、硫酸盐渍土在不同含盐量、不同法向应力条件下与混凝土衬砌冻结接触面的直剪试验研究。结果表明:冻结接触面剪切破坏的性状与含盐类型和含盐量均有关,随氯化钠含量的增加,破坏性状由脆性破坏转为塑性破坏,且氯化钠含量约为2%时是破坏性状的转折点,硫酸钠含量的增加,不会改变接触面的脆性破坏性状;初始冻结强度来源于接触面上冰晶的胶结作用,随含盐量的增大,冻结强度降低,且含盐类型对冻结强度影响不同,氯化钠比硫酸钠对初始冻结强度降低作用更显著,当氯化钠含量接近2%、硫酸钠含量超过4%时,接触面完全丧失初始冻结强度;随着含盐量的增大,内摩擦角由不变到开始减小,黏聚力由开始降低到趋于稳定。     

场地地震反应分析研究现状及展望∗

场地条件对结构震害的影响已成公认的事实,如何定量的进行场地地震反应分析成为地震工程学中亟待解决的问题之一,而在场地地震反应分析中确定地震动输入至关重要。针对场地条件和地震动输入对场地地震反应的具体影响、场地地震反应分析方法等方面的研究现状进行了系统总结。已有研究表明,场地条件和地震动输入对场地地震反应分析结果有显著影响。但目前仍存在的问题有:在冻土区进行场地地震反应分析时未充分考虑冻土层的影响效应;缺乏合理的地震动模型来准确描述实际地震动;尚未明确地震波入射角度对场地地震反应的影响规律;目前广泛使用的等效线性化方法不能完全反应土体在地震动作用下的真实运动状态而使其计算结果不尽合理。结合以上问题对还需进一步研究的内容进行了展望,为场地地震反应分析未来的研究工作提供参考。     

我国海冰的可能最大厚度

我国的渤海和黄海北部近岸海域，每年冬季都有海冰出现，渤海的辽东湾是我国冰情最严重海区。在渤海，特别是辽东湾，海注作用力是海洋工程设计的控制荷载。海注的厚度是计算海冰作用力的重要参数之一。本文根据渤海辽东湾北部鲅鱼圈和盘锦海洋站的气温和海冰观测资料，建立了计算海冰厚度的经验公式，并据此估算了我国平整海冰的可能最大厚度为８０ｃｍ。     

基于遥感技术的1988—2018年渤海海冰冰情时空变化特征

基于AVHRR、MODIS、GOCI遥感数据解译,构建了1988—2018年非连续日尺度冰情序列数据集,分析了渤海海冰冰情年际和年内时空变化特征。渤海冰情等级、年均海冰面积和年均海冰厚度均有明显的年际波动。海冰生消过程的日均面积和厚度变化呈现单峰型,且海冰面积和冰厚峰值均出现在1月25日。渤海海冰主要分布在辽东湾,其冬季结冰范围占渤海曾经结冰范围的70.58%,渤海中间区基本不结冰。海冰冰情指标与气象因子相关性分析结果表明：冻冰期海冰面积和冰厚相关系数最高的气象因子均是累积冻冰度日(CFDD);融冰期海冰面积相关系数最高的气象因子是3d-1.8℃积温,而冰厚则是累积融冰度日(CTDD)。据此选取CTDD、CFDD、3d-1.8℃积温及日最低气温四个指标建立多元非线性回归模型,并对冻冰期和融冰期分别拟合。进而对比分析2014—2018年海冰遥感提取面积与回归模型计算得到的海冰面积,其整体变化趋势一致,有一定的预测性。     

导线覆冰大跨越输电塔-线体系动力特性分析

大跨越输电塔-线体系对导线覆冰等环境荷载反应敏感,容易发生动态倒塌破坏。目前对线路覆冰下输电塔的振动问题虽然取得了一定的研究成果,但是线路覆冰下输电塔的动力特性规律尚需进一步研究。本文以实际工程为例,建立了大跨越输电塔-线体系数值分析模型,分析了导线划分精度对输电塔-线体系动力特性的影响,并在此基础上分析了导线覆冰对输电塔-线体系动力特性的影响。研究结果表明:导线划分精度对输电塔振动影响较大;导线覆冰不仅影响输电塔振动频率,而且对输电塔振型也有较大影响,尤其是对输电塔横担的振动影响更大。     

深水高桩承台基础损伤分析模型研究∗

深水高桩承台基础结构柔,长期处于深水激流恶劣工作环境中,对其进行准确而有效的损伤分析非常重要。首先对深水高桩承台基础受力变形特征进行分析,找出单桩损伤与弯矩曲率的关系,在Park?Ang的双参数损伤模型基础上建立了适用于深水高桩承台基础损伤曲率模型,并给出5种损伤程度的定量描述;应用美国加州大学伯克利分校的钢筋混凝土试件损伤模型试验结果进行分析和比对,验证了损伤曲率模型的损伤程度划分是符合桩基实际受力变形损伤的,最后通过工程实例的实践应用验证了损伤曲率模型的可行性和工程适用性。     

黑龙江省公路雪冰基本特征与灾害防治对策

黑龙江省冬季降雪不多,但在寒冷和强风条件下,容易产生风吹雪,使某些地点形成较深的积雪,阻塞交通.风吹堆积下的积雪在低温下形成密实坚硬的硬深霜.涎流冰是冬季影响山区交通的另一个主要因素,它的各个部位呈现出间歇性增厚的特征,是涌出水在各处反复交替流动、冻结的结果.随着经济发展,交通流量增加,正常降雪将会产生越来越大的影响和危害,必须给予足够的重视.因此,在雪冰减灾战略对策上,应逐步推广使用防滑汽车轮胎,建立较为完善的公路雪冰清除服务体系,并辅以必要的工程措施.     

黑龙江省的凌汛灾害及其区域划分

根据黑龙江黑河,嫩江（齐齐哈尔、富拉尔基）,佳木斯和哈尔滨四个水文站３０多年的冰情观测记录,分析了黑龙江省河流的冰情特点和凌汛灾害,计算了相应河段５０年一遇和百年一遇流冰厚度极值。最后对黑龙江省河流冰情、凌汛灾害进行了区域划分,为相关的冰工程设计提供了科学合的依据。     

输电线压弯除冰机理研究

输电线路除冰应满足有效除冰且不损伤导线。结合覆冰脆性材料的特点,提出了一种压弯除冰的方法,即约束一段覆冰导线,在破冰轮的作用下使其压弯,使覆冰从导线上破碎脱落。通过推导覆冰导线弯曲应力方程,建立了覆冰导线实体模型,分析其在不同破冰轮半径、覆冰厚度和加载力下的覆冰和导线的应力变化。结果表明:覆冰挤压应力和弯曲应力随着加载力的增加而增大,在计算参数范围内,均超过导线覆冰的破碎强度,且导线应力未超过破坏强度,验证了压弯除冰方法的可行性。破冰轮半径和覆冰厚度增加,不利于压弯除冰。推导的覆冰导线弯曲应力公式可为设计压弯除冰机器人提供参考,为保证线路有效除冰,可适当增大加载力以达到理想的除冰效果。