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多年冻土区铁路桥梁高承台桩基础地震破坏机理及易损性研究

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土木工程学报 2022年第7期55卷 77-89页

作者：张熙胤于生生王万平张益舶徐振江黄安琪孙斌洁兰州交通大学甘肃兰州730070

多年冻土区铁路桥梁工程中广泛采用高承台桩基础形式,多年冻土层的存在会对铁路桥梁高承台桩基础抗震性能产生显著影响。为系统研究多年冻土区铁路桥梁高承台桩基础地震破坏机理及抗震性能,确保其合理的抗震设计,首先开展冻土-桩基础相... 详细信息

多年冻土区铁路桥梁工程中广泛采用高承台桩基础形式,多年冻土层的存在会对铁路桥梁高承台桩基础抗震性能产生显著影响。为系统研究多年冻土区铁路桥梁高承台桩基础地震破坏机理及抗震性能,确保其合理的抗震设计,首先开展冻土-桩基础相互作用拟静力室内模型试验,并建立多年冻土区铁路桥梁桩基础有限元模型,分析多年冻土层对高承台桩基础地震破坏机理及抗震性能的影响规律;其次在验证有限元建模方法正确性的基础上,对拟静力试验中的原型桥梁桩基础进行IDA时程分析,并对96条地震波作用下桩基础地震反应的平均值进行线性回归分析,进而得到不同条件下桥梁高承台桩基础在不同破坏状态所对应的地震易损性曲线。结果表明,多年冻土层的存在能有效提高桩-土体系的水平承载力及变形能力,增强其整体刚度和耗能能力,同时也会改变桩基础的地震破坏模式,使桩基础的塑性区域扩大,破坏程度显著增加;随着地面峰值加速度PGA的增加,不同损伤状态下桥梁桩基础的破坏概率逐渐增加;随着多年冻土的退化,桩身最大曲率明显减小,高承台桩基础的破坏概率大幅度下降,而墩顶最大位移明显增大,降低了桩基础的地震稳定性;随着桩身自由段长度的增加,桩身最大曲率和墩顶最大位移均呈增大趋势,桥梁高承台桩基础的地震易损性逐渐增大。因此,对多年冻土区铁路桥梁高承台桩基础进行抗震设计时,应充分考虑多年冻土层和桩身自由段长度对其抗震性能产生的不利影响。

关键词：多年冻土区高承台桩基础桩-土相互作用拟静力试验 IDA时程分析地震易损性

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多年冻土区太阳能制冷桩基主动冷却效果

清华大学学报（自然科学版） 2024年第5期64卷 821-830页

作者：孙兆辉刘建坤陈浩华游田中山大学土木工程学院珠海519082 南方海洋科学与工程广东实验室珠海519082

桩基是多年冻土区最为常见的基础形式之一,降低桩基工程热扰动和提高桩基长期稳定性是冻土工程研究的重点。该文将太阳能制冷技术引入多年冻土区桩基工程,并开展主动冷却桩基现场试验与数值模拟研究。试验结果表明:温控桩壁的制冷温度... 详细信息

桩基是多年冻土区最为常见的基础形式之一,降低桩基工程热扰动和提高桩基长期稳定性是冻土工程研究的重点。该文将太阳能制冷技术引入多年冻土区桩基工程,并开展主动冷却桩基现场试验与数值模拟研究。试验结果表明:温控桩壁的制冷温度可降至负温以下,运行3、 10和30 d的制冷半径分别达到0.65、 1.24和1.5 m以上;通过理论分析与数值反演估算温控桩的有效制冷功率约180 W,制冷因数为0.9。模拟结果表明:制冷时长越大,桩壁温度振幅越大,稳定温度越低;制冷时长6、 9和12 h/d所对应的桩壁温度分别可降至-2.39、-3.48和-4.45℃;10 a后的影响半径分别超出6.68、 8.34和9.46 m;温控桩服役10 a后停止运行,桩周冻土仍可以在2~4 a内处于低温稳定状态。

关键词：多年冻土区太阳能制冷技术桩基础地温制冷效果

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多年冻土区土壤多环芳烃污染研究进展

冰川冻土 2022年第5期44卷 1640-1652页

作者：陆妍喻文兵张天祺刘伟博邱凯驰中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 重庆交通大学土木工程学院重庆400074

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一种难降解、毒性强的致癌性污染物,其广泛分布于各环境介质中,陆地环境中90%的PAHs累积在土壤中。随着资源的开发,由油品泄漏、垃圾渗滤、污水排放等行为造成的多年冻土区PAHs土壤... 详细信息

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons,PAHs)是一种难降解、毒性强的致癌性污染物,其广泛分布于各环境介质中,陆地环境中90%的PAHs累积在土壤中。随着资源的开发,由油品泄漏、垃圾渗滤、污水排放等行为造成的多年冻土区PAHs土壤污染问题日益突显,并且在气候变化背景下,多年冻土中的PAHs具有重新释放而造成二次污染的风险,多年冻土区土壤多环芳烃污染分布特征和迁移规律研究对评估多年冻土区生态环境风险,防治土壤持久性有机物污染,保障广大多年冻土居民生命健康安全具有重要意义。通过回顾目前国内外多年冻土区土壤中PAHs污染的相关研究,分析发现多年冻土区未受污染的土壤中PAHs的污染水平远低于中低纬度人口密集区域,可代表地球土壤中PAHs的背景值;高纬度或高海拔的地理位置以及严寒的气候使得冻土区土壤中PAHs一个普遍且最重要的来源是大气远距离传输;活动层的冻融作用主要通过改变土壤理化性质和控制水分运移方向影响PAHs在多年冻土区土壤中的垂向分布特征,多年冻土的低渗透性具有阻碍PAHs垂向迁移的作用。综合分析已有研究成果,表明目前冻土区土壤PAHs污染研究还是大量集中于表层土壤中的污染分布调查和来源解析,而关于PAHs在活动层和多年冻土层中的垂向迁移研究还仅限于对其在土壤剖面中分布状况的解释性分析,冻融作用对PAHs在土壤中的迁移、转化和归宿的影响机制还不清楚。未来多年冻土区土壤中PAHs的研究将集中于迁移转化机理与污染治理技术两方面,针对PAHs在多年冻土区土壤中迁移行为的模拟模型亟待研究开发,以实现PAHs污染储量和迁移通量的定量预测;此外,多年冻土区土壤污染问题的深入研究还需要紧密联系多圈层、多界面、多介质、多要素以及多目标污染物而开展。

关键词：多年冻土区土壤多环芳烃污染分布垂向迁移

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多年冻土区建筑物基础传热特点研究

建筑结构 2022年第S02期52卷 2109-2115页

作者：付菊平周有禄杨晓明贾海锋中国中铁四局集团有限公司合肥230000 中铁西北科学研究院有限公司兰州730000

多年冻土区建筑物地基热侵蚀主要表现为对多年冻土的热侵蚀,从而造成房屋裂缝、倾斜甚至墙倒屋塌等病害现象。本文选取了多年冻土区有、无保温板的条形基础为研究对象,通过数值计算分别分析了两种情况下地基的温度场和位移场分布规律,... 详细信息

多年冻土区建筑物地基热侵蚀主要表现为对多年冻土的热侵蚀,从而造成房屋裂缝、倾斜甚至墙倒屋塌等病害现象。本文选取了多年冻土区有、无保温板的条形基础为研究对象,通过数值计算分别分析了两种情况下地基的温度场和位移场分布规律,并进行了对比分析研究。研究结果表明:在气候变暖背景下,条形基础地温随时间呈递增趋势,从而导致地下冰持续融化,降低了地基的热稳定性。室内采暖对其下地层温度的影响非常显著,使地层全年处于吸热状态,导致土体的含冰量持续减少,从而降低地基承载力,最终引起地基的不均匀沉降,进而使其结构产生开裂。采暖场景下建筑物采用条形保温基础可以有效的延缓多年冻土融化,如第40年室内无保温板时最大沉降量为388mm,设有保温板时最大沉降量为253mm,减小了约34.5%。由此可知,在多年冻土区加强在建筑物基础下采取保温隔热措施,保护冻土的稳定性对建筑物的使用寿命尤为重要。

关键词：多年冻土区条形基础温度-位移场数值分析

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多年冻土区钻孔灌注桩施工过程热力特性研究

铁道学报 2020年第5期42卷 127-135页

作者：商允虎牛富俊吴旭阳刘明浩苗褀袁堃中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安710075

钻孔灌注桩水化热会暖化冻土引起桩基承载力下降,以桩基水化热在时间与空间上的影响效应为研究目的,结合青藏公路G214沿线查拉坪旱桥桩基观测数据,分析水化热对地温场的扰动范围以及桩周土回冻时间,给出灌注桩18 d内的养护温度。结果表... 详细信息

钻孔灌注桩水化热会暖化冻土引起桩基承载力下降,以桩基水化热在时间与空间上的影响效应为研究目的,结合青藏公路G214沿线查拉坪旱桥桩基观测数据,分析水化热对地温场的扰动范围以及桩周土回冻时间,给出灌注桩18 d内的养护温度。结果表明:水化热对距桩1.95 m以外地温影响微弱;144 d后桩侧温度降至0℃以下,229 d后桩侧温度低于-0.5℃;2 a后桩侧基本回冻至天然地温,此时承载力已达到设计要求。桩基混凝土养护温度前5 d在10℃以上,5~12 d在5℃以上,12~15 d为2℃以上,15~18 d仍高于0℃。通过数值仿真给出混凝土入模温度及桩基施工时间对桩周温度场的影响,模拟结果显示,该区域的灌注桩施工可以在相应规范规定范围内提高混凝土入模温度;灌注桩施工可以在冷季进行,但要做好5 m以上深度桩基混凝土的温控措施。

关键词：多年冻土区桥梁桩基温度场

多年冻土区天然气管道压气站失效情境下应对方案研究

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地球科学进展 2020年第11期35卷 1127-1136页

作者：李欣泽金会军吴青柏中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 中石化石油工程设计有限公司山东东营257000 东北林业大学土木工程学院东北多年冻土区地质环境系统教育部野外科学观测研究站&寒区工程与科学技术研究院黑龙江哈尔滨150040

多年冻土区天然气管道管基土冻胀和融沉地质灾害是人们所熟知的威胁管道安全运行的重大风险。受长输管道用管材最低设计金属温度限制,在压气站失效后,气体进行越站输送,由于焦耳—汤姆逊效应,会出现下游管道输气温度低于管材金属最低设... 详细信息

多年冻土区天然气管道管基土冻胀和融沉地质灾害是人们所熟知的威胁管道安全运行的重大风险。受长输管道用管材最低设计金属温度限制,在压气站失效后,气体进行越站输送,由于焦耳—汤姆逊效应,会出现下游管道输气温度低于管材金属最低设计温度的风险。而对于温带地区的管道工程,不会出现类似的技术挑战。以某多年冻土区天然气管道工程为例,从保护多年冻土的角度给出了全线温度分区控制策略及实现途径。采用国际通用水力热力软件SPS对压气站失效后不采取措施和采取诸如提高失效压气站上游压气站出站温度、降低管道输量、额外增设加热站等不同措施下的多种工况进行了定量计算和分析讨论,并初步给出相应的解决方案构想。希望能够补充现有输气工艺理论,为北极和高山多年冻土区天然气管道建设提供新的思路。

关键词：多年冻土区天然气管道压气站失效焦耳—汤姆逊效应最低设计金属温度

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多年冻土区桥梁工程桩基础服役期温度场研究

岩石力学与工程学报 2017年第9期36卷 2313-2323页

作者：商允虎牛富俊刘明浩吴旭阳罗京中国科学院西北生态环境资源研究院冻土工程国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049

选取青藏高原国道214沿线低温基本稳定区查拉坪旱桥桩基和高温不稳定区花石峡试验场桩基,对其运行期内地温进行连续监测。基于现场地温实测数据,从冻土上限、冻结及融化过程3个方面,分析桩基对冻土地温的影响,显示因桩基良好的导热性能... 详细信息

选取青藏高原国道214沿线低温基本稳定区查拉坪旱桥桩基和高温不稳定区花石峡试验场桩基,对其运行期内地温进行连续监测。基于现场地温实测数据,从冻土上限、冻结及融化过程3个方面,分析桩基对冻土地温的影响,显示因桩基良好的导热性能加剧了桩周冻土与大气的热交换,桩周地温年较差明显增大。结合勘察设计资料建立数学模型,应用有限元数值模拟方法就桩基对地温场的长期影响进行预测,结果表明,未来50 a气温上升2℃的情况下,桩侧冻土上限与天然上限差异有所增大,桩侧多年冻土温度升高,该现象在高温不稳定冻土区表现得更为明显。所得结论可为多年冻土区桩基设计、降温保护措施采取及运行管理措施实施提供参考。

关键词：土力学多年冻土区桥梁桩基温度场

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多年冻土区大直径钻孔灌注桩早期回冻规律

交通运输工程学报 2016年第4期16卷 104-111页

作者：符进姜宇彭惠董元宏袁堃中交第一公路勘察设计研究院有限公司高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室

基于多年冻土区桩基混凝土的设计与施工,研究了多年冻土区大直径钻孔灌注桩的早期回冻规律,通过桩基现场试验并结合数值仿真模型分析了桩周混凝土水化热和桩周冻土回冻规律。分析结果表明:在灌注完成后25d内桩侧温度在1℃以上,在灌注完... 详细信息

基于多年冻土区桩基混凝土的设计与施工,研究了多年冻土区大直径钻孔灌注桩的早期回冻规律,通过桩基现场试验并结合数值仿真模型分析了桩周混凝土水化热和桩周冻土回冻规律。分析结果表明:在灌注完成后25d内桩侧温度在1℃以上,在灌注完成45d后桩侧温度逐渐恢复到0℃;数值模拟结果显示在灌注完成60d后桩身温度下降至0℃,在灌注完成200d后桩周土体回冻至天然状态;入模温度每提高2℃,桩侧峰值温度提高1℃左右,而2倍桩径处峰值温度提高0.5℃左右。可见,在大直径桩基条件下桩基混凝土中可以不添加或少添加早强剂,也没有必要刻意降低拌合物入模温度;桩基的施工时间最好安排在暖季,为混凝土的养生提供较好的外部条件。

关键词：桥梁工程多年冻土区大直径桩基桩基混凝土温度场观测数值模拟回冻规律

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多年冻土区公路隧道融化圈计算方法

交通运输工程学报 2016年第4期16卷 141-150页

作者：姚红志张晓旭董长松中交第一公路勘察设计研究院有限公司高寒高海拔地区道路工程安全与健康国家重点实验室陕西西安710075

为得到多年冻土区公路隧道围岩温度场和融化圈的发展规律,建立了围岩融化圈的计算方法,对融化圈深度和围岩温度的计算值与实测值进行了对比,采用有限元法分析了支护对融化圈的影响。分析结果表明:围岩温度平均误差不超过0.6℃,融化圈深... 详细信息

为得到多年冻土区公路隧道围岩温度场和融化圈的发展规律,建立了围岩融化圈的计算方法,对融化圈深度和围岩温度的计算值与实测值进行了对比,采用有限元法分析了支护对融化圈的影响。分析结果表明:围岩温度平均误差不超过0.6℃,融化圈深度误差不超过10%,计算值与实测值吻合较好;每延迟1d施作喷射混凝土,融化圈深度增大10cm,喷射混凝土厚度每增加5cm,融化圈深度增加约10cm;一次模筑混凝土入模温度为15℃时的融化圈深度比入模温度为5℃时大了约10cm;当保温板厚度从5cm增加到20cm时,融化圈深度减小2/3,保温板及二次模筑混凝土水化热对融化圈深度有较大影响;洞内风速为3.0 m·s^(-1)时的融化圈深度比洞内风速为1.0m·s^(-1)时减小了10~20cm;施作喷射混凝土30、60、90、120d后,洞内气温为8℃时的融化圈深度为洞内气温为2℃时的1.25、1.31、1.35、1.40倍。可见,洞内气温宜控制在3℃~5℃,围岩开挖后应尽早施作支护,宜选用低热或中热水泥以降低混凝土释放的水化热。

关键词：隧道工程融化圈有限元多年冻土区支护结构