选取东北多年冻土区锥柱式电力杆塔基础为研究对象,基于含相变的热传导理论,采用有限元方法对-1.8℃、-3.5℃和-6.1℃三种年平均气温下不采取保护措施和采取PUR保温板措施的塔基温度场、基底温度变化以及基底的融化层厚度进行了数值分析.结果表明,东北多年冻土区电力杆塔基础修筑过程中,由于施工以及混凝土杆塔良好的导热作用,会对地基土体的温度场产生较大的扰动.施工完成后短时间内杆塔基础底部温度会快速升高,导致地基土体发生融化,严重威胁电力杆塔的热稳定性.在基础旁边设置PUR保温板能明显减弱塔基底部多年冻土温度的上升,有效控制塔基底部的融化范围,对塔基热稳定性具有明显的提升作用.

基于某穿越公路埋地原油管道工程,对其在冻土区的热力变形规律进行了研究,结果表明,冻土类型不同,在管道周围,土壤温度场具有较大差异,管道对高温冻土区的热油管道具有较大影响,对冻土有较大破坏;在高温冻土区,其融化速率均大于低温冻土区;通过保温材料的铺设,高温冻土区的最大融化深度可得到有效减小。在高温冻土区,减小管道顶部埋置深度,管道底部的最大融化深度可有效减小,对冻土区效果更好。随着时间的延长,外层等温线距管道中心的距离变化较小,且由于管道向外不断进行热量散发,最外层温度会逐渐升高,保温层越厚,冻土受到铺设输油管道的破坏性越小。通常情况下保温层铺设厚度为5.2-8.2cm,在高温冻土区,管道对其扰动较大,保温层大于8.2 cm时,在热油管道外铺设保温材料,减少管内油品热量损失,减少管道对冻土的扰动,确保管道安全运行,同时将输送成本降低。

基于国道214不同试验路段的地温监测资料,对沿线沥青、水泥路面下路基的浅层温度差异、年平均温度差异及路面对路基温度的影响深度等进行了分析,并根据分析结果开展模拟分析。结果表明,沥青路面与水泥路面下路基浅层温度差异存在着明显的季节性差异。路面类型对路基下多年冻土的影响深度基本在路面下8 m以内。通过模拟分析得出了相同条件下沥青和水泥2种路面类型下路基融化核形成的时间差异,路基下最大融化深度随路基运营时间和路基高度的变化规律,以及沥青和水泥2种路面下多年冻土最大融化深度的差异及其发展规律等。可以根据研究结果提出一些有效的措施来保持路基的热稳定性。

为揭示青海三江源区水文活动规律,描述季节性冻土分布区内冻、融变化过程中土壤内部热量交换和水分迁移等物理过程,采用有限体积法离散热传导方程和非饱和土壤水运动方程并对其进行耦合求解,建立了冻土区土壤水热耦合模型。利用2005～2007年间9个测站的土壤水热观测资料,从不同角度分析了冻土活动层内的土壤水热特征,对土壤融化深度、表层土壤温度及表层土壤含水量等变化过程的模拟验证结果表明,该模型的模拟结果符合当地的水热运动规律。并定量分析检验了模型方法的有效性,揭示了三江源区的土壤水热运动规律,为该地区的生态系统服务提供了有力的支持。

多年冻土空间异质性和边界条件及土性参数的可变性,往往会导致了冻土变化预测的不确定性,全球气候变暖更加剧这一过程.以青藏高原沱沱河地区试验段冻土融化深度预测为例,提出了在全球气候变暖条件下,基于参数服从某一概率分布的确定性模型的概率分析方法,基于此方法进行了融化深度的概率预测.由含水量、干容重的概率分布和20组ATI(空气融化指数)可能值,经蒙特卡罗技术同Stefan公式应用模拟得到了未来100a内天然冻土融化深度,并得到失效概率曲线.结果表明:土体性质的不确定性和温度的可变性导致了冻土变化预测很大的不确定性,概率分析相比于传统确定性分析更加符合实际.在冻土区工程建设中设定冻土融深时,运用概率分析的方法预测融深相比于确定性分析更加安全.同时,气温持续升高对多年冻土区的基础可靠性有强烈影响,设计时应予以考虑.

在多年冻土地区,土工结构稳定的核心是结构自身的热稳定性。在多年冻土区修建挡土建筑物,改变了原地面的热平衡条件,从而引起了多年冻土上限及其上部季节融化层的变化,有可能影响到工程结构的稳定性。因此,研究某一特定结构物的冻土上限或温度场分布及随季节的变化趋势是有意义的。结合青藏铁路格拉段目前唯一的支挡结构——L型挡墙这一工程措施,对L型支挡结构整个横断面进行了地温测试,分析了最具典型意义墙后回填土的上限或最大融化深度变化情况,得到了不同断面地层融化深度分布形状,回归了随季节变化相应的温度场。测试表明,由于开挖和施工扰动破坏了土体热平衡的自然状态,但L型挡土结构作为一种开敞式工程结构,地温场、冻土上限或融化深度都存在周期性变化,只要没有新的扰动,能够逐渐形成稳定状态或这一平衡是能够恢复的。此外,冻胀和冻结影响也不能忽略。总之,分析研究L型支挡结构的设计思想和工程措施,可为今后类似工程应用提供参考依据。

以热平衡积分法为工具,求出了一类伴有相变的一维热传导方程在具有稳定热源条件下的近似解析解,并根据Alaska北极Barrow地区的冻土与融湖资料,用所得解析解求得了3 000年内融湖下冻土融化深度与时间的关系.

准确确定高纬度地区多年冻土的天然上限深度及其变化规律对于冻土地区铁路工程的设计和施工至关重要。传统现场勘探测温的方法,虽然比较准确,却有很大的时间限制,在非最大融化深度季节无法确定多年冻土的天然上限深度。为了能够在任何勘测季节都可以获得多年冻土的天然上限资料,本文在对大兴安岭多年冻土地区的多年勘测、测温资料的分析研究基础之上,总结推导出了4种比较行之有效的计算多年冻土天然上限的方法,对于快速而准确的确定多年冻土天然上限具有很好的指导作用。

在黑龙江省均有季节冻结和季节融化现象发生,多年冻土区有季节融化层,季节冻结层主要分布在多年冻土区以外的地区。按季节冻结类型可把黑龙江省季节冻土分为过渡型、半过渡型、长期稳定型和稳定型等类型。季节冻结和融化深度在年际间有很大的差异,在多年冻土区南界附近,季节冻深年际间变化最大。土季节冻结和融化的影响因素主要有雪盖、植被、土壤成分及含水量、地表状况和地形等。