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寒区隧道冻结特性及冻结深度预测

隧道建设（中英文） 2023年第8期43卷 1369-1378页

作者：马超黎忠灏邱军领赖金星罗燕平曾斌冯志华长安大学公路学院陕西西安710064 四川川交路桥有限责任公司四川广汉618300 河北省交通规划设计研究院有限公司河北石家庄050011

为研究寒区隧道冻结特性并对冻结深度进行预测,采用数值模拟分析的方法,探讨兴安岭隧道温度场及冻结深度分布规律,并基于正交试验分析冻结深度各影响因素的敏感性及显著性。此外,提出一种基于XGBoost(extreme gradient boosting)和Light... 详细信息

为研究寒区隧道冻结特性并对冻结深度进行预测,采用数值模拟分析的方法,探讨兴安岭隧道温度场及冻结深度分布规律,并基于正交试验分析冻结深度各影响因素的敏感性及显著性。此外,提出一种基于XGBoost(extreme gradient boosting)和LightGBM(light gradient boosting machine)的混合预测模型对冻结深度进行预测。结果表明:1)距隧道洞口越远,围岩冻结深度越小;距隧道洞口越近,围岩冻结深度变化越大,在距洞口300 m之后,围岩冻结深度趋于稳定。2)各个断面不同部位冻结深度的变化规律基本一致,除仰拱部位冻结深度明显较大以外,其余各部位均无明显差别。3)各影响因素对冻结深度的影响敏感性排序为初始地温>最冷月平均气温>围岩比热容>围岩导热系数>衬砌导热系数>衬砌比热容。4)与传统单一模型预测方法相比,提出的基于XGBoost和LightGBM的混合预测模型精度较高,具有较强的适用性。

关键词：寒区隧道冻结深度正交试验 XGBoost模型 LightGBM模型混合模型

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东北地区地温和冻结深度时空特征的细化分析

冰川冻土 2021年第6期43卷 1782-1793页

作者：龚强晁华朱玲蔺娜于秀晶刘春生汪宏宇沈阳区域气候中心辽宁沈阳110166 吉林省气候中心吉林长春130062 黑龙江省气候中心黑龙江哈尔滨150030 中国气象局沈阳大气环境研究所辽宁沈阳110166

根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明:东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年... 详细信息

根据东北地区144个国家气象站1951—2016年的地温和土壤冻结深度资料,采用实测资料统计及统计建模推算的方法,对东北地区地温和冻结深度时空特征进行了细化分析。结果表明:东北地区地温整体由南到北逐渐降低,冻结深度逐渐增大。各层年平均地温呈向北2个纬度降低1℃左右,年平均最大冻结深度为向北2~3个纬度加深30cm左右,极端最大冻结深度为向北2个纬度加深30cm左右。地温和冻结深度与纬度关系显著,与经度和海拔也有一定相关性,但在东北北部的多年冻土区基本不受后两者影响。不同深度的地温季节特征不同,地表温度季节特征与气温一致,160cm以下深度四季温度从高到低为秋、夏、冬、春。地表夏季与冬季温差达到33.5℃,而320cm深处最热季与最冷季的温差仅为7℃。气候变暖使得东北地区各层地温升高、冻结深度减小、冻结期缩短,尤其在多年冻土区及其临近的高纬度季节冻土区更为显著。相对于下层土壤,地表升温最大。伊春地表升温趋势达到1.16℃·(10a)^(-1),40~320cm土层升温趋势为0.60℃·(10a)^(-1)左右,冻结深度减小、冻结期缩短趋势分别达到23cm·(10a)^(-1)、8d·(10a)^(-1),大幅升温不利于多年冻土的存在。

关键词：地温冻结深度时空特征东北地区

察达沟谷冰碛土冻结深度与冻胀变形影响因素正交试验研究

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冰川冻土 2024年第1期46卷 272-283页

作者：顾相涛岳祖润胡田飞仝伟华张亚泽张松石家庄铁道大学省部共建交通工程结构力学行为与系统安全国家重点实验室河北石家庄050043 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043

中国西藏察达沟谷内存在有大量冰碛土,随着西部大开发的进行,该地区将有众多基础性工程建设于该冰碛层冻土地基上。为探究该地区冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响因素,通过正交设计,在室内开展开放系统下多因素多水平单向冻结试验,研究... 详细信息

中国西藏察达沟谷内存在有大量冰碛土,随着西部大开发的进行,该地区将有众多基础性工程建设于该冰碛层冻土地基上。为探究该地区冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响因素,通过正交设计,在室内开展开放系统下多因素多水平单向冻结试验,研究了开放系统单向冻结下各因素对冰碛土冻结深度和冻胀变形的影响及显著性大小,同时对冻结后土体不同高度水分重分布进行分析,并给出冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究表明:对冻结深度和冻胀变形影响最为显著的因素分别是冻结端温度和初始体积含水率。各因素对冻结深度显著性影响大小排序为:冻结端温度>冻结时间>冻结端降温速率>初始体积含水率>压实度;对冻胀变形影响大小排序为:初始体积含水率>冻结端温度>压实度>冻结时间>冻结端降温速率;当冷端温度低、冻结时间长时,冻结锋面上方3~8 cm处存在冻结缘,此处为水分迁移和水冰相变的关键区域,会作为蓄水带进一步加剧土体的冻胀;根据正交试验结果,建立了可有效预测该地区冰碛土在多因素影响下的冻结深度和冻胀变形的多元回归方程。研究结果对相关地区冰碛土工程安全性评价与防冻害设计具有一定参考价值。

关键词：开放系统单向冻结冻结深度冻胀变形正交试验

基于Stefan改进公式计算标准场地冻结深度的探讨

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冰川冻土 2024年第4期46卷 1234-1245页

作者：王硕盛煜曹伟中国科学院西北生态环境资源研究院甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 喀什大学新疆喀什844000 浙大城市学院浙江杭州310015

本研究依托于分布在全国季节冻土区600个气象台站,1971—2020年近50年实测季节冻土年最大冻结深度数据及温度观测数据,分别对600个台站的气温年变化趋势,气温冻结指数的年变化趋势等进行了探讨。并且在Stefan改进公式的基础上,进一步探... 详细信息

本研究依托于分布在全国季节冻土区600个气象台站,1971—2020年近50年实测季节冻土年最大冻结深度数据及温度观测数据,分别对600个台站的气温年变化趋势,气温冻结指数的年变化趋势等进行了探讨。并且在Stefan改进公式的基础上,进一步探讨了基于气温冻结指数的影响因子Ea与经度、纬度及海拔等因素在标准场地上的统计学关系,建立影响因子Ea与经纬度、海拔三者之间的相关关系式,将通过相关关系式计算得出的影响因子Ea与通过基于气温冻结指数的Stefan改进公式反推计算得到的影响因子Ea进行对比分析,验证相关关系的准确性。研究表明,因子在大多数点位拟合程度良好,但是一些位于多年冻土区边界处的点位,拟合差异较大。为解决这一问题,将研究区域重新划分为一般季节冻土区域及季节冻土区与多年冻土区边界处的过渡区域,分别进行相关性分析,再次建立影响因子Ea与经度、纬度、海拔之间的相关关系式。经过验证,点位拟合程度具有显著的提升。将相关关系式引入基于气温冻结指数的Stefan改进公式做进一步拓展,最终得到的经验公式将用于计算我国季节冻土区标准场地冻结深度。通常意义上由于Stefan公式中基于地表冻结指数的影响因子E本身计算较为繁复,应用于工程设计及施工并不简便,对难于计算或者难于获取到冻结深度的工程建设所在地,利用拓展后的经验公式计算得到的冻结深度值与气象台站观测值拟合度较高,能够较好地为工程建设提供冻结深度值作为参考。

关键词：季节冻土冻结深度 Stefan公式影响因子Ea

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关于森林地带土冻结深度计算方法的研究

冰川冻土 1995年第1期17卷 84-92页

作者：艾军刘保仲张海涛龚丽东北林业大学土木工程系

由于森林地带植被特征、地面特性等因素差异的影响，使土冻结深度计算成为较复杂的问题，通过在小兴安岭的凉水自然保护区所建立的３２个观测点，历经两年的实验研究，摸索出采用换算导热系数及等值土冻结深度的计算方法，与实测值验证... 详细信息

由于森林地带植被特征、地面特性等因素差异的影响，使土冻结深度计算成为较复杂的问题，通过在小兴安岭的凉水自然保护区所建立的３２个观测点，历经两年的实验研究，摸索出采用换算导热系数及等值土冻结深度的计算方法，与实测值验证表明，是解决设计森林地带的土木结构物基础埋置深度的一种途径。

关键词：森林地带土冻结深度计算法地基

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季节性冻土区黏土冻结深度预测

科学技术与工程 2021年第13期21卷 5460-5466页

作者：周元辅张丹锋李明勇索晓庆张学富重庆交通大学土木工程学院山区桥梁及隧道工程国家重点实验室重庆400074

合理确定冻结深度是季节性冻土区防冻设计的关键,为研究季节性冻土区黏土的冻结深度,统计了中国部分季节性冻土地区气温,获得了这些地区的气温特征,以此确定了室内试验的温度边界条件,开展了10%、20%、30%3种不同质量含水量的单向冻融... 详细信息

合理确定冻结深度是季节性冻土区防冻设计的关键,为研究季节性冻土区黏土的冻结深度,统计了中国部分季节性冻土地区气温,获得了这些地区的气温特征,以此确定了室内试验的温度边界条件,开展了10%、20%、30%3种不同质量含水量的单向冻融循环试验。研究结果表明,10%、20%、30%3个试样的最大冻结深度分别为28、15、12 cm;鲁基扬诺夫公式预测值较Stephan公式、《建筑地基基础设计规范》公式、《冻土地区建筑地基基础设计规范》与《冻土工程地质勘察规范》公式的预测值更准确;利用未冻水体积含水率修正了《冻土地区建筑地基基础设计规范》的冻结深度计算值,其误差在6%之内,因而建议在季节性冻土区的黏土地区用该修正公式计算设计冻结深度。

关键词：季节性冻土冻结深度黏土冻融试验

季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律研究

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铁道建筑 2020年第1期60卷 72-76页

作者：张松岳祖润孙铁成宋宏芳杨志浩道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室(石家庄铁道大学) 河北石家庄050043 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 北京中煤矿山工程有限公司北京100013

对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线DK221+150断面温度场进行实测,并对该断面温度场进行了二维有限元分析,研究季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律及其影响因素,并拟合出冻结深度与热通量及持续冻结时间的函数关系。结果表明:该地... 详细信息

对哈齐(哈尔滨—齐齐哈尔)客运专线DK221+150断面温度场进行实测,并对该断面温度场进行了二维有限元分析,研究季节性冻土地区铁路路基冻结深度变化规律及其影响因素,并拟合出冻结深度与热通量及持续冻结时间的函数关系。结果表明:该地区铁路路基最大冻结深度约0.3 m;路基冻结深度主要取决于浅层土体的热通量及持续冻结时间;当表层热通量降低至某一临界值后,土体冻结深度不再发展,冻土厚度开始逐步减少;冻结深度与热通量、持续冻结时间呈线性关系,随着冻结状态时间的延长,热通量的敏感性下降,持续冻结时间敏感性上升。

关键词：铁路路基热通量数值模拟冻结深度季节性冻土路基温度场

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榆林地区风积沙路基的冻结深度实测分析

公路 2019年第7期64卷 32-36页

作者：延喜宁张玉福史文静付强延西利陕西省榆林公路管路局榆林市719000 榆林市长盛集团路桥工程建设有限公司榆林市719000 长安大学公路学院西安市710064

为了研究严寒地区风积沙路基在冬季低温时的冻结深度,依托陕西省榆林市境内穿越风积沙地区的国道210陕蒙段和省道204榆靖段的改扩建工程,在路基路面的施工过程中现场埋设了温度传感器,在冬季最寒冷时段实测了道路结构的温度,分析了两个... 详细信息

为了研究严寒地区风积沙路基在冬季低温时的冻结深度,依托陕西省榆林市境内穿越风积沙地区的国道210陕蒙段和省道204榆靖段的改扩建工程,在路基路面的施工过程中现场埋设了温度传感器,在冬季最寒冷时段实测了道路结构的温度,分析了两个路段的低温温度场,确定了道路结构的冻结深度。研究结果表明:冬季低温时,陕西榆林风积沙地区的道路温度在路面结构内变化较大,在路基范围内变化较小,且冻结深度可达70~82cm;路面结构的最大温度梯度出现在路表下40cm内,需要特别强调低温抗裂设计;总体上,随着道路深度增加,道路温度在油面层和基层范围内快速升高,随后的变化幅度变缓。

关键词：道路工程风积沙地区路面结构温度场冻结深度

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公路计算冻结深度的预测

国外公路 1989年第5期9卷 38-39页

作者：钟采元刘铁良铁道部科研院西北研究所

本文在考虑冻结指数、热指数、热物理性质和潜水汁算深度等多种因素的基础上、提出了公路计算冻结深度的预测方法。计算方法简便,与现场观测资料极为相符。

关键词：公路冻结深度预测计算