针对季节冻土区路基填土春融时常处于强度不稳定的状态,根据季节冻土特性选取冻结温度、融化温度、围压、含水率4种影响因素,对张家口季节冻土区粉质黏土进行了模拟正融土的常规三轴试验,采用灰色关联分析法对试验结果进行分析,给出了4种影响因素对强度的敏感性排序。结果表明:含水率、融化温度、冻结温度的敏感性超过60%,需要重点考虑。9%含水率时,土样强度较高,发生脆性破坏,随着含水率的增大,向延性破坏转变;融化温度主要影响土体剪切过程中融化速度和排水固结的速度,温度越低,土样强度越高;冻结温度通过改变土颗粒和冰晶体的胶结程度来影响强度,冻结温度越低,胶结作用越强,但低于-10℃后,强度增长缓慢;围压越大,土体强度越大,不同围压影响下,应力-应变曲线的形状和走势却大致相同,分析结果可为季节冻土区实际工程提供一定的参考。

基于2012年5月～2016年10月G109线K2967+850监测断面处冻土路基的沉降监测数据资料,根据在冻融循环条件下产生的沉降数据多周期和波动性的特点,以及监测数据采集时间间隔不等长的原因,采用非等时距GM(1,1)灰色预测模型构建了冻土路基累计沉降量预测模型。通过将预测模型的模拟值序列与实测值序列进行对比,验证了模型的模拟精度达到I级以上,证明用此模型对K2967+850监测断面2 m深度以内冻土路基的沉降预测是可信的。

以整治青藏铁路环青海湖段季节性冻土区路基冻害为背景,通过现场采集典型分布的粉质黏土,考虑温度、含水率、含盐量(质量分数)、压实度四个因素,进行室内冻胀正交试验,测试了不同温度环境下路基土体的冻胀率,进行正交试验的极差分析和方差分析,建立灰色关联度分析模型,分析各因素对冻胀影响的主次关系。结果表明,正交试验分析和灰色关联度分析所得规律一致,影响冻胀因素由主到次依次为温度、含盐量、含水率和压实度,因素之间的交互作用影响较小可以忽略;温度和含盐量对冻胀影响非常显著,含水率对冻胀有显著影响,压实度和其他3个因素之间的交互作用对冻胀没有显著影响。

通过对多年冻土路基变形影响因素的分析,将路基下原天然上限温度、冻土含冰量、路基高度、天然上限深度及高含冰层距离原天然上限深度五个因素作为影响冻土区路基(变形)稳定性的主要因素,采用了基于组合权重的灰色关联度决策方法,建立了多年冻土区路基稳定性评价体系。通过分析评价结果与沉降的对应关系,表明所建立的评价系统能够较为真实地反映路基的稳定状态。研究结果表明建立的评价体系可以较好地评价监测断面路基稳定性所处的状态,为诊断多年冻土区路基健康状态和多年冻土区路基维护决策提供了有效的支持方法。

冻土活动层是冻土地区地层内水热交换最为活跃的区域,对气候与环境变化十分敏感。黑龙江省气候环境独特,冻土活动层受到地理位置(坡度、坡向及高程)、下垫面因素(地表土壤含水量、植被、积雪)及太阳辐射(地表反照率、土壤感热及潜热通量)等环境与气候变化的影响十分敏感。通过灰色关联、相关分析、趋势度检验、向量自回归模型发现:年内尺度上,冻土活动层厚度主要受到土壤含水量及植被的影响较大;年际尺度上,冻土活动层与积雪、植被、潜热通量呈负相关,并在不同的区域呈极显著负相关;与感热通量呈正相关,并在部分区域呈极显著正相关。近30 a来冻土活动层及各影响因素在各区域呈现不同的变化趋势,各影响因素对冻土活动层厚度影响程度不同,由高到低依次受到潜热、土壤含水量、植被、感热及雪深的影响,特别是潜热对冻土活动层厚度长期变化的贡献率达到35.09%。这种现象与东北地区独特且复杂的地理环境以及近30 a来各因素的变化关系密切。

为合理全面确定各影响因子及其权重,客观分析青藏铁路冻土路基安全性,基于ANP结构模型和扩展TOPSIS方法建立青藏铁路冻土路基安全性分析模型。模型选取7个典型监测断面,确定17个主要影响因子,利用ANP结构模型并基于Super Decision软件分析各因子权重,然后基于扩展TOPSIS方法计算各监测断面的灰色关联度,得出各监测断面的安全性排序。将分析结果与已有成果进行对比,结果基本一致;将评价结果与实际对比分析可知,7个监测断面的安全性与现场情况高度吻合。利用所提出的模型进行路基安全性分析是有效的。

人工冻土弹性模量是冻结法建井计算的重要参数之一。为提高人工冻土单轴弹性模量预测的精确度与稳定性,利用灰色理论在处理小样本数据的优势,考虑影响人工冻土单轴弹性模量因素,提出了人工冻土单轴弹性模量的灰色理论预测方法,由于传统的GM(1,1)模型在预测时产生的较大误差,所以增加了原始序列的光滑度,优化了时间响应函数,由此建立了改进的GM(1,1)模型;并用改进的GM(1,1)模型进行预测,结果表明,改进的GM(1,1)模型的预测精度较传统模型高。该改进模型为人工冻土单轴弹性模量的预测提供了一种新的途径,同时也为进一步了解冻土力学特性提供了理论依据。

人工冻土的物理力学指标是冻结法凿井中冻结壁设计参数和开挖的依据,为提高人工冻土单轴抗压强度预测的精确度与稳定性,利用灰色理论处理小样本数据的独特优势,结合影响人工冻土单轴抗压强度因素,提出了人工冻土单轴抗压强度的预测方法。针对传统的GM(1,1)模型预测产生的较大误差的缺点,增加了原始序列的光滑度,并优化了时间响应函数,建立了改进的GM(1,1)模型。结果表明,利用改进的GM(1,1)模型的预测精度优于传统模型。该模型为人工冻土单轴抗压强度的预测提供了一种新方法。

为分析人工冻土单轴抗压强度影响因素敏感性,选定人工冻土单轴抗压强度的7种影响因素,按正交试验设计方案进行大量冻土单轴压缩试验,并采用灰色关联理论对试验结果进行分析,研究分析诸因素敏感性排列顺序.试验结果表明:在选定的7种影响因素中,温度为最大敏感因素,其它依次为深度、土性、养护时间、加载速率、含水率和密度,且选定的7种因素均为重要影响因素,为相关室内试验与工程应用提供依据.

讨论了灰色系统理论在路基状态预测中的应用,建立了多年冻土区铁路路基状态的灰色动态预测模型(Gray Dynamic Model)GM(1,1),实例预测表明该模型具有较高的精度。利用VB编程将上述模型程序化。