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季节性冻土区路基专用太阳能主动供热装置研究

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中国铁道科学 2021年第6期42卷 39-49页

作者：胡田飞刘建坤岳祖润鲍榴于凯凯张竣洋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 中山大学土木工程学院广东广州510275 中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所北京100081 苏州轨道交通市域一号线有限公司江苏苏州215000

基于季节性冻土区路基冻胀特征及供热需求分析,设计1款采用太阳能主动供热的路基专用供热装置。通过模型试验分析装置供热温度、供热量、供热效率随太阳辐照量的变化规律,建立考虑纬度和日序数的供热温度预测公式。通过对路基长期供热... 详细信息

基于季节性冻土区路基冻胀特征及供热需求分析,设计1款采用太阳能主动供热的路基专用供热装置。通过模型试验分析装置供热温度、供热量、供热效率随太阳辐照量的变化规律,建立考虑纬度和日序数的供热温度预测公式。通过对路基长期供热效果的数值模拟分析,研究装置防冻胀效果。结果表明:路基专用供热装置供热温度随太阳辐照量的提高而增大,最高达60℃,平均范围在20~40℃,太阳能有效热利用率约为26%;供热温度与太阳辐照量呈3次多项式函数关系,供热温度计算式可预测装置应用于不同地区时的逐日平均供热温度;该装置在季节性冻土区对路基起到暖季预储热量和冬季实时补充热量的作用,可有效提高入冬时路基的抗冻胀能力,降低冻胀程度。

关键词：季节性冻土区路基供热装置防冻太阳能

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季节性冻土区高速铁路新型防冻胀路基力学特性研究

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铁道学报 2018年第11期40卷 98-104页

作者：宋宏芳刘晓贺李佰林北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043

着眼于季节性冻土区高铁路基防冻胀填料改良及路基保温措施,提出纤维泡沫混凝土作为基床表层填料或保温强化层材料的防冻胀路基结构形式。对纤维泡沫混凝土进行物理力学特性及抗冻融耐久性试验,在此基础上采用有限元仿真分析级配碎石基... 详细信息

着眼于季节性冻土区高铁路基防冻胀填料改良及路基保温措施,提出纤维泡沫混凝土作为基床表层填料或保温强化层材料的防冻胀路基结构形式。对纤维泡沫混凝土进行物理力学特性及抗冻融耐久性试验,在此基础上采用有限元仿真分析级配碎石基床、纤维泡沫混凝土基床、保温强化层基床3种路基结构的层间剪切应力、竖向应力、竖向位移等力学参数。结果表明:纤维泡沫混凝土具有良好的保温特性及冻融耐久性,其作为基床表层填料与级配碎石相比,路基结构力学参数均得到改善;其作为保温强化层材料可有效降低级配碎石基床表层剪切应力的最大值,提高路基结构整体稳定性。在一定程度上证明了纤维泡沫混凝土作为季节性冻土区高铁路基防冻胀材料的可行性。

关键词：高速铁路路基季节性冻土区纤维泡沫混凝土防冻胀结构力学特性

季节性冻土区地下水位和水温动态对冻融过程的响应机制研究

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季节性冻土区地下水位和水温动态对冻融过程的响应机制研究

作者：吴婷婷吉林大学

学位级别：硕士

季节性冻土区的冻融作用控制着土壤水热迁移过程,进而引发地下水位、水温动态,对于地下水土资源的高效利用和水资源管理措施的选择具有重要影响。然而,目前冻融作用下地下水位动态与土壤水分重分布的相互影响机制以及地下水温动态对土... 详细信息

季节性冻土区的冻融作用控制着土壤水热迁移过程,进而引发地下水位、水温动态,对于地下水土资源的高效利用和水资源管理措施的选择具有重要影响。然而,目前冻融作用下地下水位动态与土壤水分重分布的相互影响机制以及地下水温动态对土壤温度变化的响应机理尚不完全清楚且难以量化,亟需在野外开展长时间序列、高频率的动态监测和定量分析工作,揭示冻融期地下水位和水温动态成因,提高对冻融过程中水热动态和均衡的认识。本文以吉林省长春市和松原市的两个典型场地为研究区域,对区域内气温、降水、积雪深度、各深度土壤温湿度、地下水位和水温动态分别进行了3年(2018-2021)和1年(2021)冻融期的高频率监测,综合对比不同气象、包气带介质和水文地质条件,开展了冻融期地下水位和水温动态机制研究,获得了如下研究成果:(1)确定了冻融期土壤水热动态特征并识别了其对气象环境的响应规律。冻融期间,气温驱动冻层土壤温度呈冻结期下降-融化期回升的时间动态,而未冻层土壤温度则持续下降。在空间上,大气-土壤之间的热传递逐层递减和滞后。其中,积雪起隔热和缓冲作用,显著影响浅表0～10 cm温度梯度幅值。此外,土壤自身热特性也会影响热传递结果,表现为液态含水量明显偏低的砂质土冻结深度更大。对应于土壤温度动态,土壤液态含水率则在土壤水热强烈耦合的作用下因相变和迁移呈现相应的时空变化。(2)分析了地下水位对冻融作用的响应特征并识别了其控制因素和机理。冻融作用下,长春场地地下水位呈冻结期下降-融化期上升的“V”字形动态。与之对应,气温更低、冻土深度更大的松原场地水位却较为稳定。水位的动态差异表明冻融影响的地下水极限埋深可归结为包气带冻融最大可能影响深度与潜水最大毛细上升高度之和,受控于地表温度负积温、积雪覆盖、包气带岩性结构、土壤水分分布和冻融期初始水位埋深等因素。融化阶段水位动态揭示了冻层融水是水位回升主要的补给来源,而融雪水补给有限,整体上占比仅在12%～21%。(3)分析了冻融期地下水温动态过程并揭示了其动态成因。地下水温在冻融期持续降低,其变化动态与土壤吸放热状态相关,未冻层热储量动态揭示了地下水温因冻结期未冻层日热储量小于0和融化期累积热储量持续降低而不断下降。就全年而言,当土层继续吸热,累积热储量开始显著上升时,地下水温在4月下旬至5月中旬左右下降趋势变缓或达到稳定状态;此后直至累积热储量恢复到冻融期初始水平、土壤在融化期吸收的热量能够完全抵偿冻结期散失的热量时,地下水温在5月下旬至6月下旬左右明显回升。(4)定量分析了冻融期水位波动对土壤水分重分布的影响,精细刻画了地下水温对土壤温度变化的响应。以气象-土壤-地下水作为统一系统的水分均衡和水分迁移模型定量刻画了下边界地下水对土壤水分重分布的控制作用:在冻结期,地下水协同部分未冻层中的水补给到冻层形成冰;而在融化期,地下水上渗补给到冻层的水量会以回渗补给到地下水和储存在包气带中的形式进行重分配,进而影响融化期末水位和冻结前初始水位的对比关系和冻融前后包气带水量的变化。从热均衡角度来看,在地下水温开始下降至稳定趋势结束的时间跨度上,地下水温对土壤温度变化的响应可近似用土壤热容与地下水热容的比值定量刻画,即地下水温变化值约等于土壤温度变化值与土壤热容和地下水热容比值的乘积。

关键词：季节性冻土区冻融作用土壤水热动态与均衡水分迁移热量传递

季节性冻土区冻融作用下包气带中石油烃的微生物降解机制研究

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季节性冻土区冻融作用下包气带中石油烃的微生物降解机制研究

作者：周靖吉林大学

学位级别：硕士

随着对石油的需求日益增加,其开采过程不断因泄露等事故导致对生物具有“致癌、致畸、致突变”等毒害性的石油烃进入地下水土环境。包气带作为石油烃向含水层运移的必经地带,其土壤微生物利用氧气、离子受体对石油烃的降解作用是石油烃... 详细信息

随着对石油的需求日益增加,其开采过程不断因泄露等事故导致对生物具有“致癌、致畸、致突变”等毒害性的石油烃进入地下水土环境。包气带作为石油烃向含水层运移的必经地带,其土壤微生物利用氧气、离子受体对石油烃的降解作用是石油烃进入含水层之前自然衰减净化的关键。然而,我国大部分油田广泛分布于北方的季节性冻土区,每年特殊的季节性冻融作用会改变土壤微生物自身活性和其相关的温度、氧化还原条件等环境因素,使得冻土区微生物的降解过程更加复杂。目前国内外还缺乏冻融作用下包气带土壤微生物的降解过程及其影响因素的研究,尤其是冻土区微生物的降解过程对于冻融作用的响应机制更是有待探索。基于此,论文依托国家自然科学基金项目,以东北松原市石油污染场地为典型研究区,通过季节性冻土区场地实验和日尺度冻融循环实验,综合分析季节性冻融和室内日尺度冻融作用下环境指标、污染物含量、营养盐和电子受体、微生物群落结构的响应规律和相互作用关系,剖析了不同冻融过程中微生物对石油烃的降解特征,揭示了微生物群落丰度和结构在季节性冻融作用和日尺度冻融循环下的演变规律,重点研究了冻融温度、频次、含水率等不同条件对微生物降解机制的影响规律,最后刻画了季节性冻土区包气带微生物在冻融期对石油烃的降解机制,并通过添加人工强化菌的对比研究获得了其对冻融期微生物降解作用的强化机理。通过论文研究,取得如下主要结论和认识:1.场地原土微生物主要由放线菌门的节细菌属、酸杆菌门的GP4、GP6、GP16等厌氧菌属组成,具备可观的反硝化作用以及相对缓慢的硫酸盐还原作用,但厌氧途径对于石油烃衰减的效果短期内不显著。原土中好氧菌类在一开始无明显丰度,在常温下添加石油烃后以迅速增长的变形菌门的溶杆菌属、不动杆菌属为主要好氧菌进行显著的好氧降解,降解速率约0.01mg/g/day。且菌群种类在常温条件下不断衍生,多样性显著增加。2.冻结的强度对于土壤优势好氧菌的种类起到决定性的选择作用,季节性冻融条件使得原土中优势好氧菌的种类变成了适应低温环境的放线菌门的红球菌属、诺卡氏菌属,厌氧菌的种类不受影响。在冻融前期未冻结时由于高丰度的厌氧菌具有明显的反硝化和硫酸盐还原作用;主要冻结期抑制了离子受体可利用性,以冻融前期增长起来的好氧菌在-10～0℃气温阶段的好氧降解为主,-10℃以下的长期低温则会使得好氧菌和厌氧菌停滞生长活动失去降解能力;到融化期时,好氧降解、反硝化及硫酸盐还原能力都会逐渐恢复并提升。整个冻融期石油烃降解速率约0.004mg/g/day,季节性冻融条件抑制了微生物的耗氧、反硝化、硫酸盐还原作用,同时抑制了原土菌群多样性的增加。3.不同冻融温度条件未显著影响原土菌群的种类,主要通过影响微生物的生长活动状态、冻融过程中电子受体及营养物质的可利用性控制着微生物的降解活动。低温冻结过程会显著抑制微生物的生长及对氧气和离子受体的利用,而融化过程可以逐渐恢复其生长活动。过低温-15℃的冻结会使得包气带微生物失去所有降解途径,-15℃冻结和5℃融化的日尺度冻融循环下无法短期内恢复微生物的生长活动和降解能力,但当融化温度提高至15℃后微生物耗氧、反硝化、硫酸盐还原的降解途径都较快恢复。4.人工添加的降解菌属于变形菌门的不动杆菌属,在常温下添加后大幅提高了原土中的好氧降解效果,在场地实验期的降解量提升了约6倍,同时严重抑制了原土中的其他菌类和厌氧降解途径,但在常温下随着氧气快速消耗人工降解菌丰度逐渐降低。但冻融作用明显抑制了人工降解菌的好氧强化作用和硫酸盐还原作用,冻融期降解能力仅较原土提升了2倍,其在冻融期对原土菌群的强化机制体现在,提前并提高了其冻融前期入冬冻融阶段的好氧降解能力。5.含水率条件对于冻融作用下的微生物菌群演变影响较小,主要可能通过冻融导致的水分迁移影响了微生物可利用的电子受体含量、营养物质,从而影响了降解效果。冻融循环的频次会促进微生物降解途径的恢复,在冻融循环中微生物的硫酸盐还原最先恢复,反硝化能力次之,好氧降解能力需要更长时间。同时,冻融循环的温差显著影响了微生物对氧气、离子受体的利用以及石油烃的降解效果,较高的冻结和融化强度更有利于微生物的好氧或厌氧降解效果。

关键词：季节性冻土区冻融期冻融作用石油烃微生物降解降解途径电子受体

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季节性冻土区锥形桩抗冻拔性能试验研究

季节性冻土区锥形桩抗冻拔性能试验研究

作者：张宇石家庄铁道大学

学位级别：硕士

随着我国经济的快速发展和“一带一路”倡议的实施,很多工程项目将在季节性冻土区进行建设。桩基础因其自身良好特性,成为寒区建筑物重要基础形式,而当上部结构荷载较轻或基础埋深较浅时,传统等截面桩基础常出现冻拔破坏问题。本文通过... 详细信息

随着我国经济的快速发展和“一带一路”倡议的实施,很多工程项目将在季节性冻土区进行建设。桩基础因其自身良好特性,成为寒区建筑物重要基础形式,而当上部结构荷载较轻或基础埋深较浅时,传统等截面桩基础常出现冻拔破坏问题。本文通过室内模型试验和理论分析相结合的手段,系统研究了冻结条件下锥形桩基础的抗冻拔性能。在测定试验所用土体的基本物理性质参数的基础上,采用自主设计的锥形桩冻胀融沉试验装置,以锥角为0°、2°、4°、6°的混凝土桩体为试验对象,利用粉质黏土、中砂、级配碎石三种土质,开展了桩体冻拔力和桩体冻拔位移试验。取得的主要研究内容和成果如下:(1)经过试验测试,自主设计的锥形桩冻胀融沉试验装置能够消除桩底法向冻胀力和外部热源对试验结果的影响,保证了试验测试精度。(2)在桩体冻拔试验过程中,不同土体内部温度随时间的变化规律基本一致,升温融化速率明显大于冻结速率;不同土质冻深达到稳定所需的时间不同,粉质黏土最长,中砂次之,级配碎石最短;不同土体冻胀位移差异显著,粉质黏土最大,中砂次之,级配碎石最小。(3)锥角与桩侧切向冻胀力均呈反比关系,即锥角越大,切向冻胀力越小,并根据试验数据拟合得到锥角与切向冻胀力之间的关系式;尽管桩周土质(粉质黏土、中砂)不同,但当桩侧切向冻胀力为0时,所需的最大锥角均不超过7.7°。(4)锥角与桩体冻拔位移均呈反比关系,即锥角越大,桩体冻拔位移越小,并根据试验数据拟合得到锥角与桩体冻拔位移之间的关系式;尽管桩周土质(粉质黏土、中砂)不同,但当桩体冻拔位移为0时,所需的最大锥角均不超过7.5°。(5)桩体冻拔力和冻拔位移随着桩周土体冻胀率的减小而减小,中砂和级配碎石的桩体冻拔力和冻拔位移明显低于粉质黏土。

关键词：季节性冻土区锥形桩冻拔力冻拔位移切向冻胀力

季节性冻土区地表水与地下水转化关系研究 ——以三江平原松花江流域为例

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季节性冻土区地表水与地下水转化关系研究 ...

作者：孟博吉林大学

学位级别：硕士

地表水和地下水的转化关系是陆地水文循环中的关键问题,也是水资源管理、规划、优化配置的基础。开展冻融作用对地表水与地下水转化关系的影响研究,对于季节性冻土区的水资源优化管理和配置具有较为重要的理论和实际意义。论文选择我国... 详细信息

地表水和地下水的转化关系是陆地水文循环中的关键问题,也是水资源管理、规划、优化配置的基础。开展冻融作用对地表水与地下水转化关系的影响研究,对于季节性冻土区的水资源优化管理和配置具有较为重要的理论和实际意义。论文选择我国典型的季节性冻土区三江平原松花江流域作为研究区,通过资料收集与实地调查,获取了研究区不同时期地表、地下水水位动态数据和水体样品测试数据。采用水化学同位素方法分析了冻融作用的不同时期,地表水及其沿岸地下水的水化学特征和同位素组成的变化规律和地表水与地下水转化规律;选取典型剖面构建了剖面二维地下水流数值模型,基于模拟结果分析了冻融作用的不同时期地表水与地下水之间的转化强度变化情况和地下水的流动模式。对比验证两种分析方法得到的地表水地下水转化关系,总结了研究区地表水-地下水转化关系的时空变化特征如下:（1）地表水与地下水转化关系具有空间上的差异性在研究区内整个松花江河段,地表水与地下水均存在相互补给作用,但在补给时间和补给强度方面有较大差异。在上游的佳木斯-桦川一带,南、北两侧为地势较高的山前台地,地形和水文地质条件控制着区域地下水流动的宏观方向,在年内的大部分时期,地下水补给地表水,仅在丰水期存在地表水补给地下水的情况;到松花江下游的富锦-同江一带,河床开阔、水流平缓,河流两侧地形平坦,河水与地下水之间的水头差减小,加之地下水人工开采的影响,多以地表水向地下水补给为主;而界于上、下游之间的松花江中部河段,受气象、水文和人为活动等多种因素的共同影响,地表水与地下水的转化关系变换较为频繁。（2）地表水与地下水转化关系受季节性冻融作用影响明显（1）在非冻融期:5月初～6月为松花江枯水期,松花江和地下水的水位动态受多种因素影响,地表水与地下水转化关系变化较为频繁;在7月～9月丰水期,松花江水位明显抬升,以地表水补给地下水为主;10月～11月初,河水位回落,以地下水补给地表水为主。（2）在冻结期:冻结期初期（11月初～中旬）,受河流结冰过程的影响,研究区域松花江水位壅高,河水与地下水之间的补排关系迅速地从地下水补给地表水转为地表水以高强度补给地下水;11月中旬至翌年3月中旬,以地下水补给河水为主;冻结期末期,地表水河水位相对抬升、地下水位相对下降,地下水补给地表水的强度有所减小。（3）在融化期:研究区自3月中旬进入融化期。4月初,冻结河流由上游至下游进入开河期,下游冰凌的阻碍致使地表水位抬升,河水对地下水的补给强度也随之增大;此后,松花江进入枯水期,河水位下降,而在融雪水和大气降水的补给下,地下水水位抬升,地下水开始补给地表水。综上所述,三江平原区域内松花江地表水与地下水的交互作用存在时间和空间上的变异性,季节性冻融对二者的转化关系存在显著影响。

关键词：季节性冻土区地表水与地下水交互作用三江平原冻融作用地下水资源评价

季节性冻土区高速铁路路基冻胀的井点降水整治数值分析

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中国铁道科学 2016年第4期37卷 9-14页

作者：周阳宗朱宏伟蔡德钩闫宏业李中国姚建平中南大学地球科学与信息物理学院湖南长沙410012 中国铁建十六局集团有限公司北京100048 中国铁道科学研究院铁道建筑研究所北京100081 中国铁道科学研究院高速铁路轨道技术国家重点实验室北京100081

针对地下水较为发育的季节性冻土区高速铁路路堑地段易发生路基冻胀的情况,采用数值模拟方法,运用SEEP/W软件,进行路基冻胀的井点降水整治研究。结果表明：抽水量为1.5m^3·h^-1的小型水泵在埋深为5～7m的条件下,连续工作约1.3～1.4h可... 详细信息

针对地下水较为发育的季节性冻土区高速铁路路堑地段易发生路基冻胀的情况,采用数值模拟方法,运用SEEP/W软件,进行路基冻胀的井点降水整治研究。结果表明：抽水量为1.5m^3·h^-1的小型水泵在埋深为5～7m的条件下,连续工作约1.3～1.4h可将其周围的水位降至泵底;井点降水整治中,水泵埋深取为6.7m较为合理;取水泵合理的埋深为6.7m时,为在入冬前将路堑中的地下水位降低到3.8m,需抽水25d;入冬后为确保水位在最大冻深3.0m以下,并同时考虑到节能,可采取间隔抽水方式,而暂停抽水后路堑中心地下水位从3.8m回升到3m需要7.5d（水泵最大间歇时间）,然后启动水泵再次将水位从3.0m降至3.8m的抽水时间需要6d。依据数值分析结果在试验段采用井点降水整治后,路基的最大冻胀量从2013年的11.6mm降至2014年的4.5mm,路基的冻胀整治效果较为显著,表明根据数值分析结果制定的井点降水整治方案是合理的。

关键词：路基冻胀井点降水渗流分析施工参数季节性冻土区高速铁路路堑

季节性冻土区高速铁路路基水泥稳定碎石基床压实指标相关性

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中国铁道科学 2018年第5期39卷 8-14页

作者：宋宏芳岳祖润王天亮闫文科北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 石家庄铁道大学土木工程学院河北石家庄050043 石家庄铁道大学道路与铁道工程安全保障省部共建教育部重点实验室河北石家庄050043

针对我国季节性冻土区高速铁路路基水泥稳定碎石基床压实质量控制标准缺乏的现状,结合现行设计规范和相关试验规程,以冻土区高速铁路水泥稳定碎石基床为研究对象,将地基系数、动态变形模量、变形模量、回弹模量和无侧限抗压强度作为评... 详细信息

针对我国季节性冻土区高速铁路路基水泥稳定碎石基床压实质量控制标准缺乏的现状,结合现行设计规范和相关试验规程,以冻土区高速铁路水泥稳定碎石基床为研究对象,将地基系数、动态变形模量、变形模量、回弹模量和无侧限抗压强度作为评价指标,研究水泥稳定碎石基床各项压实指标的适用性及相关性。结果表明:水泥稳定碎石基床的地基系数受填料自身特性影响较大,二次变形模量测试过程繁琐,可采用直接反映路基压实状态的一次变形模量为水泥稳定碎石基床的压实检测指标;各压实指标与回弹模量、无侧限抗压强度间存在较好的指数函数关系,因此可通过室内试验较易获得的回弹模量、无侧限抗压强度推算复杂试验条件下的压实质量控制指标,为季节性冻土区水泥稳定碎石基床的压实性能提供快捷、有效的估算方法。

关键词：季节性冻土区路基基床水泥稳定碎石压实指标回弹模量无侧限抗压强度

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季节性冻土区管道浅埋换填防冻模式研究

水利学报 2018年第5期49卷 588-597页

作者：白静谢崇宝吴志琴中国灌溉排水发展中心北京100054 黑龙江省水利科学研究院黑龙江哈尔滨150080

输水管道是节水灌溉工程建设的重要组成部分,管道铺设模式不仅直接影响到节水灌溉工程的投资和施工进度,同时还影响工程的直接效益和使用寿命。本文中通过在低温实验室进行PE管浅埋模型试验,获得了不同管道埋深、保温措施、回填措施和... 详细信息

输水管道是节水灌溉工程建设的重要组成部分,管道铺设模式不仅直接影响到节水灌溉工程的投资和施工进度,同时还影响工程的直接效益和使用寿命。本文中通过在低温实验室进行PE管浅埋模型试验,获得了不同管道埋深、保温措施、回填措施和换填措施等条件下管道内温度和管道变形的动态变化过程。试验结果表明:不同换填措施、保温措施对管道内温度影响不大,而管道埋深和回填措施对管道内温度影响显著,适当增加管道埋深,管内温度升高,EPS轻质土回填的保温效果好于珍珠岩散料轻质土回填措施。在管道变形方面,炉渣换填措施略优于砂土换填措施,适当增加管道埋深,管道变形明显减小。与设置换填措施、回填措施和保温层的复杂工况处理相比,采用炉渣换填和回填措施的裸管,可以达到较好的防冻效果。综合考虑冻土区机械耕作等需要和防冻措施的经济可行性,推荐80 cm埋深的炉渣换填回填模式作为季节性冻土区(冻深<2.3 m)PE管道的浅埋模式。

关键词：季节性冻土区 PE管道浅埋模式换填方式