发卡式热棒—隔热层复合路基在多年冻土区应用研究

基于已有单一路基调控措施作用效果分析,提出发卡式热棒一隔热层复合路基调控工程措施,对复合调控措施作用机理、发卡式热棒结构设计、复合调控措施路基结构设计等进行了探讨,介绍了复合调控工程措施实体试验工程监测方案、施工过程及施工质量控制要点.观测数据表明,复合路基调控工程措施能使隔热层有较大热阻,减少路基体暖季吸热,热棒冷季能主动对流换热冷却路基的各自积极因素进行综合利用,在降低路基温度场方面效果明显,起到全年减少路基体吸热的积极作用,有利于保持多年冻土路基稳定.     

热管及保温材料在青藏直流联网工程中的应用研究

针对青藏直流联网工程塔基热管措施应用效果,通过现场实测资料确定了热管年内工作周期及混凝土桩基表面热效应,考虑无绝热段热管传热过程组成,建立空气-热管-土体耦合传热数学模型,利用有限元方法系统模拟不同年平均地温分区锥柱式塔基传热过程及气候变暖背景下基础周围多年冻土热状况发展变化趋势。结果表明：冷季热管工作期间,其对周围土体冷却降温效果显著,同时由于混凝土塔基为热的良导体,热管产生的“冷量”通过基础及其底座快速向基础周围传递,使得基础下形成大范围低温冻土。暖季,热管停止工作期间,由于基础埋设较浅,混凝土塔基良好的导热性能使得其周围浅层土体温度升温较快,量值基本与天然地表下同一深度接近,而基础下部深层地温则主要受热管作用控制,温度较低。在单一塔腿4根热管及50 a气温升高2.6℃背景下,-1.0℃、-1.5℃两种年平均地温条件下,桩基础下部多年冻土仍保持冻结状态,满足工程对于冻土地基热状况的要求。-0.5℃年平均地温条件下,运营后期桩基础周围土体季节融化深度已大于桩基埋深。在该地温条件下,通过热管-保温板复合措施的采用,可有效发挥热管的“冷却降温”及保温板的“隔热保冷”效能,在大幅减小基础周围土体的最大季节融化深度的同时降低锥柱式基础底部深层地温,进而满足工程需求。     

通风路基主要影响因素及应对措施研究

结合实测资料,通过模拟计算从传热角度就通风路基降温效能的主要影响因素进行分析。研究发现,在管道通风路基中,管间土体存在较强的热流向下传热,通风管间距是影响降温效能的重要因素之一。在公路沥青路面条件下,由于路面的强烈吸热作用,通风路基的降温效能被极大削弱,环境升温和设计不当都可能造成工程措施的失效。针对这一问题,提出宽幅通风新型工程措施。模拟计算结果表明,该种新型路基具有高效、快速的降温效能。在沥青路面条件下,该种措施实施3 a后,-3 m深度的地温就已低于原天然地表下的温度,冻土人为上限在快速达到路堤底部约-0.5 m深度后,完全维持稳定。该种措施还成功解决路基地温场的非对称性难题,进一步增强路基的长期稳定。这些结果对我国多年冻土区高等级公路的建设和关键工程问题的解决具有重要意义。     

青藏直流联网工程±500kV输电线路的工程问题分析

青海至西藏±500kV直流联网工程为我国首次在青藏高原多年冻土区全线铺设的高等级输电线路,该工程建设完成将对西藏经济与社会的发展起到重要的保障和支撑作用。由于输电线路将跨越青藏高原多年冻土区,冻土特有的工程问题将对工程设计、施工和安全运营产生重要影响。为保证工程建设的顺利进行项目组就其中的冻土、冻土工程等问题进行了较为系统的研究,并进行沿线的冻土调查和现场的试验研究。研究结果表明：输电线路布设与青藏公路基本相同,其中高含冰量冻土约占多年冻土线路段的59%,低含冰量冻土约占多年冻土线路段的25%;输电线路的主要工程问题为冻胀融沉、冻拔问题,不良冻土现象、气候变暖、冻土退化等问题会对线路工程稳定性产生影响;笔者还就输电线路选线选位原则、冻土勘察方法与原则、冻土区工程施工方法的选择等关键问题开展了系统研究。研究成果将为即将开工的±500kV青藏直流联网工程塔基定点、设计和施工以及线路选择提供科学依据。     

青藏直流输变电工程基础冻结强度试验研究

土与基础接触面间的冻结强度是评价冻土区基础工程抗拔性能,分析构筑物与冻土相互作用的基础和关键。通过不同含水率和不同温度青藏粉土与混凝土接触面的直剪试验,研究了冻结强度变化规律。结果表明,温度、含水率和法向应力均对冻结强度和冻结强度恢复有显著的影响。冻土沿接触面的剪切滑移会导致冻结强度损失,冰胶结能力的破坏导致接触面黏聚力减小,表面粗糙程度的增加导致内摩擦角增大,内摩擦角增加对冻结强度增加的贡献远远小于黏聚力减小导致的冻结强度降低。由于含水率、温度和法向应力对冻结强度有显著的影响,冻结强度对于评估基础所受的切向冻胀力以及评价基础的冻拔安全性具有重要的意义。但是,现行规范中冻土区基础切向冻胀力设计值主要依据土体冻胀敏感性确定,并未考虑含水率、温度和法向应力的影响,可能导致切向冻胀力设计值与基础实际受到的冻胀力存在较大的差异,引起基础冻胀失稳或经济浪费。     

国内外多年冻土区输电线路建设问题探讨

输电线路工程现已成为我国冻土工程的重要组成部分。通过分析发现,在世界各冻土大国输电线路的建设中,俄罗斯在多年冻土区输电线路建设历史最长,累积长度约接近10万公里,电压等级主要为220 kV和500 kV;在环境变化条件下,各国工程建设中均发现冻胀融沉、冻拔问题、不良冻土现象等冻融灾害对对塔基稳定性造成的严重影响;鉴于输电线路点线工程特性,可充分结合冻土发育规律、合理选线和设置杆塔,有效减少冻融灾害发生;桩基础是多年冻土区较为通用的塔基形式,冬季施工是重要的选择原则;热管等工程措施的采用是减少冻融灾害和维护塔基稳定性的有效途径。     

冲击速度对冻土冲击韧度的影响

为研究不同冲击速度条件下冻土冲击韧度的变化特性，以及冻土在高应变速率下的强度特性，采用传统冲击试验机对冻结兰州黄土、兰州中砂和纯冰进行了不同冲击速度、不同温度条件下有缺口冲击试验研究。试验结果发现裂纹在试样中扩展所需能量随速度的增加而增加，并与试验样品种类密切相关。随着温度降低和锤速的增加，试样冲击韧度的敏感性也随之加大，试验范围内锤速产生的影响要远大于温度产生的影响     

自动温控通风路基应用效果分析

自动温控通风路基是“冷却路基”的一种有效措施，并经历了青藏铁路北麓河试验段半年多的现场检验。结果表明，对于30，40cm两种管径的通风管在实施自动温控系统控温后，分别使原多年冻土上限抬升0．3，0．7m，到达最大融化深度的时间均提前20d，延长路堤的放热时间约1个多月，分别降低通风管下部平均地温1．2℃，1．7℃，降低路基底部地温0．5℃，0．7℃。通过热计算，在进入多年冻土含土冰层热通量最大月份，自动温控通风路基降低热通量约一半左右。通过2种管径的降温效果对比，30cm管径的降温效果略好于40cm管径的降温效果。自动温控通风路基结构中路堤降温速率大于通风路基的主要原因在于自动温控路基具有降温机制。     

寒区大坝心墙土料冻融监测技术及误差分析

寒区心墙堆石坝冬季施工过程中,快速判断大面积心墙施工区防渗土料的冻融情况,是保证工程质量和快速施工的重要前提。研究发现,红外热成像测温技术可实现对心墙施工现场远距离、大范围、全仓面(超过10 000 m²)地表温度、土料冻融状况的快速检测和判定,但在现场不同环境条件下检测结果存在2 ~ 8 ℃的误差。针对该问题,基于辐射理论及红外测温原理,结合现场红外测温方式,分析得到影响心墙红外热成像仪测温误差的主要因素为心墙区的环境辐射和地表发射率。其中,环境辐射主要受气温控制。地表发射率受防渗土料压实状态(松铺、密实)以及土工布覆盖等不同地表结构形式的影响。结合现场试验数据,建立了地表辐射温度与地表接触式温度之间的修正关系。该研究为寒区工程土料冻融判别技术有重要的指导意义。     

黏土单向冻融作用下冷生构造及冻胀特性试验研究

研究黏土的水分迁移特性,对评估冻融作用对填筑土料的工程影响意义重要。以两河口水电站大坝心墙的填筑土料黏土为研究对象,针对冬季施工现场日循环冻融作用的环境特点,在室内模拟开展封闭系统下短时、高频、浅冻结条件下的单向冻融试验,研究了反复冻融作用下试样的冷生构造、水分迁移和冻胀特性。结果表明:黏土在日变化冻融作用下,试样受影响区域会有分凝冰快速发育,并随冻融条件的变化形成垂直于冻结方向、形态和厚度各异的薄层状冷生构造,并与以往研究存在显著区别。其中,与以往研究相比,受冻融影响区域分凝冰层厚相对较薄、且较为均匀,空间分布差异性表现为下部区域分凝冰的平均层厚相对上部略厚,但分凝冰层的数量增多。该种特性受初始含水率、冷冻温度、冻融次数等影响较大。其中,初始含水率对分凝冰厚度的变化影响最大。冷冻温度对层状冷生构造的发育和分布影响较大,-5℃冷冻温度下,冷生构造的发育程度最为突显;而在-10℃冷冻温度下,分凝冰层厚度和层状冷生构造的分布都较为均匀。冻融作用对层状冷生构造的影响表现为累积过程,冻融次数的增加使分凝冰层数量增多。另外,试样冻胀量较小,受冻融影响区域下部分凝冰起主要贡献作用。研究结果为季节冻土区大坝冬季施工过程的冻融防控具有重要指导作用。