冻土特征

冻土特征（共8篇）

冻土特征 篇1

长治市地处35°50′N~37°08′N, 113°01′E~113°40′E, 总面积为13 896 km2, 属暖温带半湿润大陆性季风气候所控制的农业大区, 该区具有季节性冻土的特点, 每年随着冬初冷空气的增强, 土壤开始封冻, 冻层逐渐增厚, 冬后气温变暖, 土壤解冻。近年来, 我国的科技工作者对冻土已有了深入研究。王秋香等[1]在对新疆季节冻土研究中提出了冬季平均气温与最大冻土深度有很好的线性相关, 在干旱地区, 气温变化对冻土深度变化的影响更为突出。汪青春等[2]在对青海高原近40年冻土与气候的变化分析中指出, 年最大冻土深度变化的空间分布特征与气温变化的空间特征相一致。另有一些研究表明, 年平均气温升高, 尤其是冬季的大幅升温是导致我国多年冻土退化的原因[3,4,5,6,7,8]。笔者主要研究长治气候变暖下, 季节性冻土深度、浅层冻土的平均冻结始日、冻结终日的变化特征, 旨在为农业生产、农田水利基本建设及各类管道及道路施工活动提供依据。

1 资料与方法

文中使用的资料均来源于山西省气象信息中心归档的原始气象记录月报表及其信息化产品。冬季最大冻土深度与平均冻土深度分别为1971—2010年长治11个观测站12—2月的平均值。浅层 (5、10、15、20 cm ) 冻土的始、终日分别取自1980—2010年连续封冻期 (<0℃) 的开始日与结束日11个观测站的平均资料, 并将历年各浅层 <0℃的最早开始日期、结束日期作为基数1, 按逐年排序, 作为文中浅层冻土的开始和结束日期 (31年齐全整编资料) 。采用数理统计聚类法分析气候变暖与冻土的气候变化特征。

2 结果与分析

2.1 气温年际变化特征

对1971—2010年气温的年际变化趋势 (图1) 进行分析, 气温年际变化处于上升趋势, 其线性增温速率为0.30℃/10 a。变化趋势主要分2个阶段, 第1阶段为1971—1993年, 气温呈现为波动式变化, 升温趋势不明显, 除1978、1982、1987年大于历史平均值 (9.6℃) 外, 其余年份低于和接近平均值。第2阶段为1994—2010年, 气温处于明显上升期, 尤其从1997年开始升温趋势非常明显, 除2003年气温低于平均值外, 其余年份都在平均线以上, 1998、1999、2006年3年的气温值均达到历年最高值10.6℃。

2.2 冬季增暖与平均、最大冻土深度的变化特征

冬季平均冻土深度、最大冻土深度与冬季平均气温的年际变化趋势基本上均呈现为反相关关系, 气温高的年份对应冻土层深度较浅, 气温低的年份, 冻土层深度增厚。从图2可看出, 较显著的1979、1987、1999、2002、2007年为冬季气温高峰年, 对应冬季平均冻土深度、最大冻土深度相对较浅, 而1972、1977、1980—1986、2000年为冬季气温低谷年, 则对应冬季平均冻土深度、最大冻土深度均较深。从线性趋势的变化分析, 冬季气温的线性增温速率为0.65℃/10 a, 相应冬季平均冻土深度变浅速率为2.0 cm/10 a, 冬季最大冻土深度变浅速率为0.8 cm/10 a。冬季气候变暖是冻土深度逐渐变浅的主要气候背景。

2.3秋冬转换期温度与浅层冻土开始期的变化特征

将秋冬 (10—12月) 转换期平均温度分别与20、15、10、5 cm浅层冻土开始期的年际变化特征进行比较分析, 从图3可看出, 浅层冻土开始期与气温的年际变化基本呈现为正相关性, 在平均温度高的年份对应浅层冻土开始期推后, 反之提前。在31年中, 20、15、10、5 cm的正相关年份所占比例分别为87%、80%、83%、87%。1984、1990、2001和2006年为气温的高峰年, 对应浅层冻土开始日期均明显退后, 尤其2006年气温最高达到4.7℃, 相应浅层20、15、10、5 cm冻土日期与各自历年平均分别推后12、13、6和2 d。从线性趋势分析, 秋冬 (10—12月) 转换期平均温度趋于上升趋势, 其线性趋势增温速率为0.23℃/10 a, 相对应浅层冻土开始期趋于推后, 其中20、15、10、5 cm冻土开始期的推后速率分别为1.3、0.7、0.7、1.7 d/10 a。气候变暖是浅层冻土开始期推后的主要原因之一, 且当年气温的高低与冻土开始期的晚早关系更为明显。

2.4冬春转换期温度与浅层冻土结束期的变化特征

将1—3月冬春转换期的气温分别与浅层5、10、15、20 cm土壤冻土结束日进行年际变化特征分析可知, 冬、春转换期气温变化与冻土结束日呈现出明显的反相关性。从图4可看出, 1983—1990、1966、1999—2003、2006—2010年反相关非常明显, 1984年气温为历年最低 -3.3℃, 15 cm与20 cm的冻土结束日为历年最晚, 出现在3月14日, 5 cm、10 cm结束日同样明显偏晚, 出现在3月12—14日。2002年平均气温出现历年极高值2.1℃, 15cm与20 cm的冻土结束日偏早, 出现在2月14日, 5 cm与10 cm的冻土结束日为历年最早, 分别出现在2月15日、13日。从线性趋势分析, 1—3月冬春转换期的气温趋于波动式上升趋势, 其线性趋势增温率为0.58℃/10 a。浅层冻土结束期均趋于提前, 其中20、15、10、5 cm冻土结束期的提前速率分别为8.3、7.0、6.7、6.0 d/10 a。充分说明, 气候变暖是浅层冻土结束趋势提前的主要原因之一, 且当年气温的高低与冻土结束早晚关系更为明显。

注:a.秋冬转换期气温与 20、15 cm 浅层冻土开始期的变化特征;b.秋冬转换期气温与 10、5 cm 浅层冻土开始期的变化特征。

3 结论

通过对长治市气温的变化趋势的分析可知, 气温年际变化处于上升趋势, 其线性增温速率为0.30℃/10 a。冬季增温速率为0.65℃/10 a, 与冻土深度存在明显的反相关性, 冬季气候的变薄, 使得长治市冻土深度变簿。冬春、秋冬转换期气候的变化与浅层冻土的封解冻期关系密切。在冬春转换期气候变暖情况下, 浅层冻土结束期趋于提前趋势, 且两者的年际变化呈现出明显的反相关性。在秋冬转换期气候变暖的情况下, 浅层冻土开始期趋于推后趋势, 且两者的年际变化基本呈现为正相关关系。

注:a.冬春转换期气温与 20、15 cm 浅层冻土开始期的变化特征;b.冬春转换期气温与 10、5 cm 浅层冻土开始期的变化特征。

参考文献

[1]王秋香, 李红军, 魏荣庆, 等.1961-2002年新疆季节冻土多年变化及突变分析[J].冰川冻土, 2005, 27 (6) :820-826.

[2]汪青春, 李林, 李栋梁.青海高原多年冻土对气候增暖的响应[J].高原气象, 2005, 24 (5) :708-712.

[3]王绍令, 赵秀锋, 郭东信, 等.青藏高原冻土对气候变化的响应[J].冰川冻土, 1996, 18 (增刊) :157-165.

[4]金会军, 李述训, 王绍令, 等.气候变化对中国多年冻土和寒区环境的影响[J].地理学报, 2000, 55 (2) :161-173.

[5]张森琦, 王永贵, 赵永真, 等.黄河源区多年冻土退化及其环境反映[J].冰川冻土, 2004, 26 (1) :1-6.

[6]石剑, 王育光, 杜春英, 等.黑龙江省多年冻土分布特征[J].黑龙江气象, 2003 (3) :32-34.

[7]高春香, 苏立娟, 宋进华, 等.内蒙古东北部冻土分布与地温关系[J].内蒙古气象, 2004 (1) :19-22.

[8]朱林楠, 吴紫汪, 臧恩穆, 等.青藏高原东部冻土退化的差异性初探[J].冰川冻土, 1996, 18 (2) :104-110.

冻土特征 篇2

季节冻土区冻融期黄土滑坡基本特征与机理

在我国北方大部分地区滑坡灾害的发生有两个高峰期,即雨季和冻融期,而目前对冻融期滑坡的研究尚处在起步阶段,导致对冻融期滑坡的防治效果远不及雨季滑坡.本文以甘肃黄土滑坡为研究对象,探索季节冻土区冻融期黄土滑坡的.基本特征和形成机制.结果表明,季节性冻融作用是季节冻融期黄土滑坡滑坡发生的主要因素,其不但在斜坡表层产生强烈作用,而且可引起斜坡深处地下水富集、土体软化范围扩大和静、动水压力增大等冻结滞水效应,促使斜坡整体性大规模变形破坏,导致滑坡发生.

作 者：王念秦 姚勇 WANG Nian-qin YAO Yong 作者单位：西安科技大学地质与环境工程系,西安,710054刊 名：防灾减灾工程学报 ISTIC英文刊名：JOURNAL OF DISASTER PREVENTION AND MITIGATION ENGINEERING年，卷(期)：28(2)分类号：P642.22关键词：黄土滑坡 冻融期形成机制 季节性冻融作用

南极冻土幽魂复苏 篇3

致命病毒威胁人类？

两年前，一组科学考察队在南极大陆的永久冻土带地底发现了一种目前科学界前所未知的神秘病毒。让科学家震惊的是，目前地球上还没有任何人或动物对这种病毒具有免疫性。惟一可庆幸的是，南极毕竟离我们很遥远，该病毒又是在永久冻土带的地底发现，暂时还不会对地球其他地方的人类形成威胁。然而，美国科学家日前警告，尽管现在这种病毒尚被锁在南极冻土这个魔瓶里，但如果全球气候持续变暖，到一定时期这种未知病毒将会立刻复苏并四处散播，那时地球上成千上万的物种，可能就要面临“灭顶之灾”。

地球温室效应导致南极冰川融化，以前人们担心的仅仅是海平面会上升，淹没许多陆地，但美国海洋和气候学家的研究表明：根本不需要等到海平面上升淹没城市，冰川融化释放出的致命病毒已先夺去了数百万人的生命。美国纽约大学的汤姆·斯塔穆鲁教授认为：“随着全球气候变暖，尽管还不能确定有多少病毒会重返现代社会，也不能确定它们中有多少会威胁人类的生存环境和健康，但可以确定的是这一切将会发生。”

科学家对南极发现的神秘病毒相当重视，一支由美国病毒专家组成的特别科考队特地前往南极，专门对含有这种病毒的冰块进行研究，以图能尽快研究出抵抗这种神秘病毒的疫苗。

引发灾难的史前细菌？

在寻找神秘病毒疫苗的同时，科学家不禁怀疑，在只有企鹅才能生存的南极洲上，这种奇怪病毒到底是从哪儿来的？对此科学界众说纷纭。

一种理论是，这种病毒可能是一种史前细菌，是地球几万年甚至几十万年前的产物，它曾经肆虐地球，并灭绝过史前生物。多少万年以前，地球上温暖的季风将热带和温带海水送往南极冰带，无数矿物、浮游生物及各种动物尸体随海水来到了南极，全被深深冻结在南极渺无边际的冰川里。同时，依附于这些动物尸体身上的一些致命病毒也被冻结在南极冰层中。由于气温极低，它们已处于休眠状态，可让人惊讶的是，尽管历经了数十万年之久，这些病毒仍然保持着一种顽强的生命力。

来自“欧罗巴”的天外来客？

还有一部分科学家则将南极病毒与天外来客联系起来，他们怀疑南极病毒很可能来自于一些外星球陨星或小行星。从“伽利略”号太空望远镜于１９９７年发回地球的木星１６颗卫星之一——“欧罗巴”的照片上，美国科学家发现在“欧罗巴”上存在着一个液体海洋。美国国家科学基金会在不久前的一份报告中写道：“南极洲坚冰下的地下湖与欧罗巴冰层下的海洋极为类似。”华盛顿大学海洋学家约翰·迪拉尼则确信在木星卫星“欧罗巴”地底海洋里存在着生命。他们都认为，南极洲的神秘病毒很可能就是来自太空，尤其可能来自木星卫星“欧罗巴”。

纳粹遗留的生化武器？

另一些专家认为，这种病毒根本不是史前产物，而是纳粹德国运往南极基地的生化武器。这种说法并非捕风捉影，在１９３８年以后，纳粹德国突然对南极洲大感兴趣，先后组织两支科考队飞往南极，拍摄大量南极冰带的照片，并将数千枚印有纳粹标记的金属旗帜分散投掷在南极大陆上。１９４３年，德国海军上将卡尔·邓尼茨公开称：“德国潜艇已在另外一个神秘世界建立了一个攻不破的堡垒。”一些俄罗斯专家认为，这很可能意味着从１９３８年开始，纳粹已在南极洲秘密建立了一个地下军事基地。

据美英情报机构的档案记载，二战末期，在德国基尔港口经常有潜水艇卸掉船上的鱼雷装置，换装上各种货物集装箱，一些身份不明的乘客用纱布蒙着脸走进这些潜水艇。其中一艘潜水艇代号Ｕ－５３０，它于１９４５年４月１３日离开基尔港前往南极洲。到达后，船上１６名成员在南极洲永久冻土带挖了一个冰窟窿，将他们随船带去的箱子埋进这些洞穴里。

３个月后，这艘潜艇驶入阿根廷的马德·巴拉它港，向盟军投降。据该艇艇长威廉·伯纳德说，他们此去南极，另一艘代号为Ｕ－９７７的纳粹潜艇据称还带了希特勒和其情妇爱娃的遗物。１９４５年８月１７日，该艇艇长海恩斯·斯切弗带着全体船员在阿根廷马德·巴拉它港向盟军投降。在面对美英情报机构的审讯时，这两艘潜艇的艇长都坚称自己带往南极的只是一些第三帝国的文件和遗物。美英情报官员显然不信这番话。果然，１９８３年６月１日，美国情报机构截获了海恩斯·斯切弗艇长写给威廉·伯纳德艇长的一封密信：“亲爱的威廉，听说你要出版一本有关Ｕ－５３０潜艇的回忆录，当时我们有３艘潜艇参加了那次南极行动，如今它们都沉在大西洋底了，难道让它们永远沉没在那里不是更好吗？我的老朋友，好好想一想！我们曾经发誓要保守秘密，我们没有做错什么，我们只是为了德国而服从命令。请再想一想，当你揭露那个秘密以后，会引起什么样的后果？请好好想想。”

冻土特征 篇4

根据气象资料表明, 年平均气温的变化趋势是在上升, 黑龙江省北部地区从1980年～1999年的年平均气温据统计升高了1.7℃, 这也是多年冻土退化的主要原因。小兴安岭地区多年冻土带的轮廓线形态即多年冻土带的南界摆动在年平均气温等值线-1℃～1.0℃之间。

目前小兴安岭多年冻土仅分布在沟谷谷地及支谷地带, 这是零星残存的多年冻土。原因在于沟谷发育着厚层的草炭、泥炭和腐殖土, 含有大量水分的草炭与泥炭, 不但起着良好的保温作用, 而且具有较强的蒸发耗热能力, 减少了地表土层的热交换量, 阻隔了太阳辐射热的向下传递, 对下伏多年冻土起到良好保护作用。相反, 在两侧的山坡、山岭上, 仅有0.5m左右的腐殖土层, 土中含水量小, 比较干燥, 对气温变化较为敏感。岛状多年冻土的存在为沼泽湿地提供了良好的发育条件, 沼泽湿地的发育同时也延缓了多年冻土的退化速度。

1 多年冻土的工程地质特征

本段公路的多年冻土勘探工作采用沿线调查, 物探筛查, 钻探核查相结合的勘探原则进行, 解决了全线实际所需的冻土区、融区的分布、冻土上限、含冰层的位置、含冰量的多少、冻土的结构特征、冻土层的厚度等数据, 进行了冻土类型划分和冻土环境的工程地质评价。

(1) 多年冻土区的植物生长是与该地的气候、地质、地理条件相互作用的产物。

小兴安岭地区的多年冻土指示植物如当地人所说的“老头树”, 这是一种营养不良的病态树;落叶松挂满松罗、苔藓, 胸径达到15cm以上的落叶松由于营养不良已干枯, 成为站干;塔头湿地长满茂盛的塔头草, 沟谷地带生长着的水冬瓜、桦木丛等, 这些植物的指示特征都为多年冻土区的初判提供了参考。

(2) 考虑到路线上多数地段第四系覆盖层以粘土、砂砾为主, 地层结构简单, 下伏岩性以沉积岩为主, 选用了高密度电法来进行冻土区、融区的划分, 寻找多年冻土段落及上下限。针对在桥梁钻探中揭示的多年冻土段落, 采用了高密度电法勘探来进行实验勘探, 得出如下结论:融区地段, 一般表层第四系地层中的视电阻率随其含水率的不同其值一般为数十至100Ωm;岛状多年冻土区视电阻率显著增高, 通常情况下为1000Ωm～3000Ωm, 效果较为明显。通过高密度电法勘探筛查出全线共存在十余段有高阻异常的段落, 均被随后的钻探地质资料印证, 初步解决了全线实际所需的冻土区和融区的分布、冻土上限等指标。

(3) 通过工程地质钻探解决了实际所需的多年冻土含冰层的位置、含冰量的多少、冻土的结构特征、冻土层的准确厚度等关键数据。图1为K62+250钻孔4m～5m处的岩芯照片, 可见多处呈层状或明显定向的冰条带, 冰层厚度达23mm, 强融沉～强融陷。

(4) 沿线几个探孔 (孔深3m左右) 地温观测资料表明:由山坡到沟谷, 地温逐渐降低, 往沟底部的方向地温进一步地降低, 由非冻土转向融区再转向冻土, 温度趋向沟谷底部达到最低温度值。如在K103+625阳坡的地温为5.04℃, 洼地中心K103+725的地温为1.54℃。

(5) 冻土试验。

不同含水量的冻土融沉变形规律如图2, 由图2可知, 初始融沉值与冻土总含水量关系密切, 含水量越大, 随着荷载加大, 融沉曲线趋于平缓, 图2中四种不同含水量的冻土融沉系数分别为42.4%、24.5%、8.4%、5.6%, 对应含水量分别为50%、30%、20%、16.5%, 从融沉量来看, 该地区各路段冻土性质 (尤其是含水量) 差异较大, 其中个别段融沉偏大, 需严格保护冻土, 大部分路段融沉量较小, 可允许一定融化。各级荷载下, 冻土的融化压缩变形具有共同的规律性, 如图3, 变形随时间的发展呈对数关系。

全线多年冻土的冻土分布及特征如表1。

2 多年冻土的路基设计

鉴于小兴安岭多年冻土南界岛状冻土处在强烈的退化期, 随着大气候的转暖和本地区年平均气温上升趋势以及人为生产生活活动热的扰动, 根据实际勘测结果采用了如下路基设计原则。

(1) 融区路基

项目所在区域年平均气温1.3℃～4℃, 极端最高气温39.4℃, 最低气温-44.9℃, 最大季节性冻土深度2.5m, 冬季降温较快, 水分易积聚, 形成聚冰带, 春季升温缓慢, 水分不易下渗, 容易形成冬季路基水聚冰冻胀和春融季节的翻浆, 导致路面出现冻胀、开裂、渗水及路基冻胀翻浆等病害, 为保证路基、路面的稳定, 采取了如下措施。

对软弱土采取换填砂砾并且砂砾层高出地面积水位的处理措施, 同时还保证路基最小填土高度, 以避免冻胀翻浆对路基带来的危害。

为阻断毛细水对路面的侵害, 防止路面出现冻胀、开裂、渗水, 视路基干湿情况, 中湿路面以下设置了20cm厚天然砂砾垫层, 同时挖方路段边沟底下设置盲沟, 加强完善排水措施, 以减少水害, 保证路基、路面的稳定。

(2) 岛状多年冻土路基

路线范围内有多处岛状多年冻土段, 分布在林区塔头路段, 覆盖塔头等植被。多年冻土一般厚3m～5m, 最大达12m, 局部地段多年冻土冻深在季节性冻土范围内, 但由于植被覆盖良好, 基本不融化。冻土类型有少冰冻土、多冰冻土、富冰冻土、饱冰冻土、含土冰层等。本地区处于退化的岛状多年冻土区, 属高温冻土。对于饱冰冻土及含土冰层, 由于融沉性较强, 路基施工后, 会产生较大变形。富冰冻土、多冰冻土一般融后变形较小。为保证路基稳定及控制施工后融沉变形, 对于不同的冻土区地段, 设计时采用不同的处理方法。

多年冻土埋藏小于3m采用完全清除的处理方案, 清基深度为清到少冰冻土的砂砾层。

多年冻土埋深大于3m的路段采用设置复合地基的处理方案。冻土处理深度依据钻探资料确定, 但应穿透高含冰量的冻层。若下部为少冰冻土的砂砾、粗砂或泥岩, 则采用柔性桩 (碎石桩) ;若下部土质为粘性土, 或含冰量大的砂砾层, 则采用刚性桩 (水泥搅拌桩) 。对于设置复合地基的路段, 表层的泥炭层可不清除, 直接填筑60cm厚的砂砾并铺设两层钢塑土工格栅进行复合地基施工的设计方案。

严禁在坡脚外10m范围内挖排水沟, 施工时应注意保护路线两侧的植被。

3 结语

(1) 前嫩公路伊春至北安东段高速公路岛状多年冻土处于强烈的退化过程中, 具有厚度薄、地温高、局部含冰量高的特点, 冻土类型多为富冰、饱冰冻土, 融沉等级多为Ⅲ、Ⅳ级。

(2) 融区路基采取换填砂砾, 并且砂砾层高出地面积水位的处理措施;多年冻土埋藏小于3m采用完全清除的处理方案;多年冻土埋深大于3m的路段采用设置复合地基的处理方案。

(3) 随着社会的发展, 越来越多的工程项目会在多年冻土地区实施, 通过本项目的实践与研究, 为退化型岛状多年冻土地区其它的重大基础设施建设提供了借鉴作用。

参考文献

[1]吉林省公路勘测设计院, 前嫩公路伊春至北安东段高速公路工程地质勘察报告[R].长春:吉林省公路勘测设计院, 2009.

[2]JTJ064-98, 公路工程地质勘察规范[S].

解密高原冻土 篇5

高原的天气非常捉弄人，一会儿是冰雹，一会儿是阳光，一会儿是雨雪，短短一天，你可经历地球上所有的气象。唯一不变的是寒冷。虽然已是5月中旬，空气却如刀割般，一会儿便在裸露的脸颊上划出道道冰冷的伤痕来。

还没到冠名为“青藏高原综合观测研究站”的冰土工程国家重点研究室青藏高原研究基地，雪就把路面下花了。刹车在这座筑在海拔高达4737米的小房子前的空地上将一小块还没来得及抽青的草皮翻卷了上来，闻声后，刘永智的藏狗及时而守职地朝我们狂吠起来。刘永智用带着兰州口音的普通话严厉地呵斥了一声。藏狗马上听话地收起了它的鲁莽。

刘永智是中国冻土研究首席科学家之一。自从1974年大学毕业后，就再也没有离开过可可西里。

在这个寂静的科研基地，刘永智和他的几位同事共同守望着这片地球上中低纬度面积最大、海拔最高、温度最低的多年冻土区和山地冰川分布区。这个观测研究站是我国在多年冻土区唯一的也是高原地区唯一的综合性观测研究站。

刘永智面肤黝黑，长年在高原上工作，步子已经有些踉跄了。因为刚刚去了外地回来，来不及适应高原反应的他还有些气喘。

近处是刘永智温驯下来的藏狗的喘息和招待我们的缭绕的浓香咖啡，远处是沿地平线起伏的青藏铁路。我们的话题就从铁路和冻土开始。

冻在土中的高科技

根据资料显示，全世界在多年冻土区修建铁路已有百年以上历史，但已建成的多年冻土区铁路病害率很高。有百年历史的俄罗斯第一条西伯利亚铁路，由于对冻土的认识不清，缺乏工程经验，采取的措施单一，已经出现了大范围的融化下沉和冻胀隆起等病害，1996年调查的线路病害率达45%。俄罗斯西伯利亚的冻土铁路虽然比我们的青藏铁路长，有三四千公里，但其海拔只有两三千米。冻土虽然在加拿大、美国等国家也存在，但它们属高纬度冻土，比较稳定且列车时速并不高。

鉴于这样的背景，在青藏铁路格拉段2001年开始建设时，各种质疑的声音就没有间断过，其中以“无法解决多年冻土的问题”为最。即使是2006年青藏铁路全线铺通之后，国内仍有专家公开指出，青藏高原冻土正在退融，青藏铁路必经之地冻土层几十年来持续退化，刚刚建成铺通的青藏铁路在一段时间之后将会有安全之虞。刘永智和他的同事们就是在这样紧张而高压的氛围中，经过各种各样的实验和尝试，首创了“片石气冷路基、热棒路基、通风管路基等冻土保护措施”和“主动降温，冷却路基”为核心的积极保护冻土思路。这条已建成并成功运营5年的青藏铁路目前已成了世界上穿越多年连续冻土里程最长（550公里）、拥有世界最高冻土隧道风火山隧道（海拔4905米）、世界上最长高原冻土隧道昆仑山隧道（全长1686米）、在世界高原冻土铁路上的最高时速——100公里的高原铁路……而其间每一厘米的天路都饱含着刘永智和他同事们的艰辛，也富含令人叹服和惊咋的高科技。

“通过主动降温，减少传入地基土层的热量，保证多年冻土层的热稳定。冻土退融得越少，地表变形越不明显，上面的铁轨就越安全。”刘永智力求用简单的语言给我们扫盲。他还告诉我们，在青藏铁路线上经常看到的那种类似雷达测速的铁棒子，是他们众多冻土降温措施中的一种，学名叫热管，也就是当地人通常俗称的“散热棒”。这种用来稳定冻土路基的散热装置是从俄罗斯引入的一种高科技，其原理与冰箱雷同：将热管插入路基两侧的地基土中就可以有效地将空气中的冷量传递到土中，且将土中的热量散发出去，从而有效地控制了热量向下传递，保持地基土处于冻结状态，达到路基稳定的目的。从西大滩到安多的铁路段沿线，路基两旁都插有这种像栅栏一样的散热棒，就是这18200根热棒，让青藏铁路跨越了546公里的多年冻土区。

除了热管，青藏铁路还使用了其他一些方法来稳定冻土的路基：通风管路基，顾名思议就是通过在路基上加设通风管道达到空气循环和保温的目的；片石冷路基，既可降温又可以防止铁路路肩的流失和防止雨水对路基的冲刷；片石护坡路基，作用同上；空心管路基；保温材料路基，通过在路基底下埋设挤缩板等达到稳定路基的作用。

昂贵的生态保护费

在监测站外不远处的高原公路实验段，我们见到了刘智永刚才介绍的各种路基段。5月中旬的天气，可可西里正在大面积地“泛浆”。“泛浆”是当地人的说法，指的是冻土解冻变软，土中所含的水开始起威力了。不用说，这对铁路来说会意味着什么。

“这段长达550公里的冻土层因全球变暖的影响已比几十年前变薄了10到40厘米。如今冻土层仍在持续退融，而冻土层融化受威胁最大的就是冻土层上面的青藏铁路。冻土层融沉导致的地表变形将使铁轨失去平顺性，影响列车行驶。”

如果仅仅是面对一年一融的冻土那还好说，现在，我们面对的是全球性难题——全球变暖——而在全球变暖的大环境下，草原退化和冻土退融几乎是同步成正比在进行的。草原植被好，冻土层的隔热效果在自然就好。刘永智发现，从他来这儿工作到现在的几十年间，草场已经退化了不少，高原植被也遭到了很大的破坏，而高原植被破坏得越多，冻土退融速率也就会变得越快。2009年国家立项投资300万元在监测站不远处建立的这个实验基地就是为了应对各种气候和地质变化的极限。面对全球气候变暖这个人人谈虎色变的灾难趋势，刚刚建成的青藏铁路也必须采取各种应对措施。“一旦冻土层持续退融变得极不稳定的话，‘以桥代路’可能是目前最好解决的方法。”刘永智说。

青藏铁路线上最长的“以桥代路”工程就是全长11.7公里的清水河大桥，也是世界上建在高原冻土地段上的最长铁路桥。“以桥代路”不仅是为解决高原冻土地带路基稳定的问题，各桥墩间的1300多个桥孔也可供藏羚羊等野生动物自由迁徙。每一公里以桥代路的工程费用要5000万元。

“以前铁路修到哪里，植被就破坏到哪里”。而全长1142公里的青藏铁路是世界上海拔最高的铁路，修建在珍稀物种丰富、生态环境脆弱的青藏高原之上，一旦破坏环境很难恢复。

50年前修建的青藏公路限于当时条件艰苦，修建时一般都是就地取材，一些当年取土挖砂的小土坑至今没有长出绿草。50年后，青藏铁路在自然保护区内遵循“能避绕就避绕”的原则，施工场地、便道、砂石料场的选址都经反复踏勘确定，尽量避免破坏植被。为了恢复铁路用地上的植被，高原冻土区植被恢复与再造采用先进技术，使植物试种成活率达70％以上。在铁路修建管护和过程中，施工人员在取土前就把表层的植被和表土铲除后集中堆放、养护，取完了以后回铺。据说仅修建时沿线草皮移植的花费就高达2亿多元，回铺的草皮达数千万平方米。

回到青藏高原综合观测研究站，雪中的高原风依然很大。虽然这对靠风力供电的监测站来说是件好事，但却侵害着年事已高的刘永智的身体。头发花白的刘永智嘴唇有些发乌，他说这是因为刚“进山”不久的缘故。“多喝咖啡，咖啡能够抗高原反应。”刘永智将自己发明的土办法告诉我们，同时，也有些黯然地说：“老了，适应能力再也不能与年轻那会儿相比了。

“年一过我就要退休离开这里了，说不上是庆幸还是留恋。但只要青藏铁路还在运营，这里的工作就永远不能放松。”我们听得出，是留恋多于庆幸，毕竟，恶劣的自然适应起来容易，要戒掉专业领域的痴情与迷恋难。

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风火山隧道

“冻土地区管道敷设”专题征稿 篇6

在冻土地区铺设油气输送管道将遇到很多技术难题和挑战, 一方面, 土体的冻胀和融沉会对管壁产生额外应力, 在适当的条件下引起应力集中和塑性变形, 甚至造成管道破坏;另一方面, 埋设于冻土地带的管道会对周围环境产生扰动, 造成冻土退化, 反过来又影响管道安全。针对不同冻土地区的特点进行设计和施工, 并确保管道和环境的安全已成为世界管道工业的一项技术难题。为了配合我国高寒冻土地区油田管道科技攻关, 并为在冻土地区承揽对外合作项目的油田公司提供借鉴和启示, 本刊拟于今年第12期刊出“冻土地区管道敷设”专题, 及时介绍国外的设计特点和成功经验。征稿范围包括所有涉及国外油田季节性或永久性冻土地区管道敷设的内容, 例如主要技术难题、相应对策、研究状况以及防治冻害的措施。所有稿件都不需要排期, 一经采用, 稿酬从优。欢迎广大作译者踊跃投稿。

★咨询电话/0459-5902333

★专题编辑/李珊梅

冻土强度影响因素的分析 篇7

随着国民经济的发展和科学技术的不断进步，人们对冻土的认识越来越深，我国许多工程要建在冻土上，能源、交通、通讯、水利、给排水、石油输送管线等许多工程已经建立在这些冻土上了。目前一些大的国家项目也要涉及冻土工程，例如西气东输、南水北调等。本实验旨在获得冻土的力学性能，以试验为基础，根据正交试验设计，对多种影响冻土力学性能的因素进行试验安排，最终得出了影响冻土力学性能的因素的主次关系，希望对冻土工程建设提供一些技术上的参考，并运用到实际工程建设中。

1 实验概况

1.1实验原理

正交试验设计是指用正交表来安排试验方案的一种试验设计，其具有正交性、典型性以及综合可比性等优点。正交表是根据均衡分布思想，运用组合数学理论构造的一种数学表格，对于等水平正交表一般用符号La(bc)表示，其中L是Latin的第一个字母，表示正交表;a表示正交表的行数，即用该正交表安排试验时，应实施的试验次数;b表示因素的水平数，因素的水平指因素在试验时所取的不同值;c表示正交表的列数，一列可以安排一个因素。常见的正交试验表有L4(23)、L8(27)、L9(34)、L16(215)、L16(45)、L32(231)、L27(313)、L25(56)，混合水平正交试验表有L8(4×24)、L12(23×3)、L16(43×26)、L16(44×23)、L16(4×212)、L16(8×28)、L18(2×37)等。

影响冻土单轴抗压强度的因素很多，不同的因素条件下作者做了大量的冻土试验，本文利用正交试验原理来说明各个因素的影响程度，然后根据试验结果通过MATLAB工具箱建立人工神经网络模型，利用计算机对其进行仿真训练:(1)确定正交试验因素。影响冻土单轴抗压强度的因素很多，本文只考虑温度、土性、深度(m)、含水率(%)、密度(ρ)、养护时间(h)、加载速率(%)七个因素。确定每个因素的水平:土性包括粘土、砂、砂质粘土三个水平，深度包含的水平更多，本文只考虑150 m、300 m、400 m三个水平，含水率水平包括20%、23%、26%三个水平，密度包括1.89 g/m3、2.15 g/m3、2.42 g/m3三个水平，养护时间包括24 h、48 h、72 h三个水平，加载速率包括5%/min、15%/min、25%/min三个水平，温度有-5℃、-10℃、-15℃三个水平;(2)选用正交表。根据上面提供的因素和水平进行正交表的选择，选择的方法为试验的水平作为正交表的水平，试验的各个因素小于或等于正交表的列数，根据上面所举的例子得出该正交表为7因素三水平试验方案，所以选用L18(37)作为该试验考察试验指标的正交表;(3)表头设计。假设上面各因素之间相互独立，没有交互作用，把上述各因素放在正交表的列位置，把每一个因素的水平放在正交表的行位置，这样就构成了完整的表头设计。

表1是本文设计的考虑7因素、每个因素三水平的正交表，因素第1列中的1、2、3代表粘土、砂、砂质粘土，第2列中的1、2、3代表深度150 m、300 m、400 m，第3列的1、2、3代表含水率20%、23%、26%，第4列的1、2、3代表密度1.89 g/m3、2.15 g/m3、2.42 g/m3，第5列的1、2、3代表养护时间24 h、48 h、72 h，第6列的1、2、3代表加载速率5%/min、15%/min、25%/min，第7列的1、2、3代表温度-5℃、-10℃、-15℃。

2 试验结果及分析

在正交试验结果分析中，一般利用极差分析法(简称R法)来确定因素的优水平以及对试验指标的主次关系。根据j因素k水平所对应的试验指标的平均值yjk可判断j因素的优水平。因素的优水平反映了因素对试验指标的影响方向，如果优水平比劣水平的值大，则表明因素对指标是正影响，即因素取值越大。根据j因素的极差Rj，判断因素的主次。Rj越大，说明该因素对试验指标的影响越大、越重要。Rj的计算式为:

利用直观分析法计算得出各个因素的极差R，排出影响因素的主次关系，R越大的因素越重要，分析结果见表2。

注:结果是在含水率、密度没有很大差别的基础上得出的各个因素的主次关系。

3 结论

本实验最终获得冻土的力学性能，以试验为基础，根据正交试验设计，对多种影响冻土力学性能的因素进行试验安排，最终得出了影响冻土力学性能的因素的主次关系，它们从主到次依次为:温度、土性、含水率、深度、密度、养护时间、加载速率。

摘要：冻土的力学性能是冻土工程设计的关键参数,影响冻土力学性能的因素很多,有试验的加载方式、加载速率、冻结温度、土的性质、样品尺寸、养护时间、围压大小、试验应力路径等。本实验为了获得冻土的力学性能,以试验为基础,根据正交试验设计,对多种影响冻土力学性能的因素进行试验安排,最终得出了影响冻土力学性能的因素的主次关系。

关键词：冻土,强度,影响因素,力学性能

参考文献

[1]吴紫汪,马巍.冻土强度与蠕变[M].兰州:兰州大学出版社,1994.

[2]安德斯兰德.冻土工程[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[3][苏]H.A崔托维奇.冻土力学[M].北京:科学技术出版社,1985.

冻土爆破钻孔机械的选用 篇8

1 冻土爆破的困难性

1.1 冻土爆破受到冻土本身的阻力

冻土的温度、含水量等阻碍着冻土的爆破。当冻土温度降低时, 土壤的抗机械破坏力更强。当含水量增多时, 冻土的摩擦力增大, 随之抗剪强度也增大。严重阻碍着冻土的爆破[1]。

1.2 冻土具有极强的抗机械破坏力

冻土的结构是阻碍冻土爆破的重要因素, 运用钻孔机械进行钻孔时, 在钻孔坚韧刀具的作用下, 进行冻土层垂直面的爆破, 从冻土上切割下来的土块层厚度相当于两层相同冻土的厚度, 切割的阻力更大, 钻孔机械受到严重的阻碍, 无法正常进行冻土层爆破。

2 冻土爆破钻孔机械的选用原则

2.1 季节性冻土爆破

在进行季节性的冻土爆破时, 选用的钻孔机械直径控制在60mm—140mm之间, 钻孔机械深度为2m。在选用时还需要注意, 冻土的强度如果在正常范围内, 最好选用煤电钻空机械和岩电钻孔机械。冻土的强度如果高于正常范围, 最好选用风动钻孔机械[2]。例如在进行路堑冻土爆破施工时, 钻孔机械最好选用煤电钻孔机械, 效率可达到20—30m/台班, 钻孔直径达到80mm—85mm, 保证施工的要求。

2.2 不稳定冻土表层爆破

当进行不稳定的冻土表层爆破时, 需要将风动钻孔机械、煤电钻孔机械等结合使用, 根据冻土层不同深度的特点共同进行冻土爆破。例如在高原上进行隧道冻土爆破, 由于高原地区多年冻土层的积累, 简单的爆破钻孔机械没有效果, 而且隧道的冻土强度不同于一般的冻土, 其冻土强度随着隧道深度的变化而变化。所以, 在进行冻土爆破钻孔机械选择时, 要充分考虑隧道中不同深度冻土的不同状态, 具体分析其适合的钻孔机械, 使用不同的钻孔机械满足不同强硬程度冻土的爆破需求。特别是在进行隧道的冻岩层爆破时, 使用长度较其他钻孔机械更长的风动钻孔机械, 而在隧道的进出口进行冻土爆破时, 将煤电钻孔机械和风动钻孔机械相结合进行钻孔爆破[3]。

2.3 导热性能较低的冻土层爆破

在进行导热性能较低的冻土层爆破时, 选用热力钻孔机械进行冻土层的爆破。其工作原理是将温度极高的气体通过高速的喷射机喷射到冻土层中, 使得导热性很低的冻土层在热力作用下产生温差, 导致冻土层的破裂, 极快地进行冻土层爆破。

在选用热力钻孔机械进行冻土层爆破时, 值得注意的是, 高速热力喷射虽然可以使冻土层产生破裂溶解, 但热力对于击碎硬度较高的冻土层作用是不明显的。为保证爆破效率, 可以将热力—水力—机械破碎装置联合使用[4]。经过长期的研究表明, 热力—水力—机械破碎装置所耗成本与常规的爆破机械相同, 但效果却是常规爆破机械的1到2倍。

3 结束语

在冻土地区修建公路、铁路等建筑物, 除了要考察地域环境、地质条件外, 还要充分考虑该地区冻土的特性, 对冻土爆破规模、爆破钻孔机械进行正确分析, 根据冻土的特点, 结合多种钻孔机械的特征进行正确选择, 有效率地进行冻土层的爆破。

参考文献

[1]杜富贵, 梁秋祥, 董德坤, 等.冻土爆破穿孔数值模拟与试验验证[J].爆破器材, 2015, 44 (1) :46-49+54.

[2]杜海丽, 刘宁, 蔺亚敏.冻土爆破开挖技术[J].筑路机械与施工机械化, 2015, 32 (10) :82-84.

[3]赵要才.竖井冻结基岩段硬岩深孔掏槽爆破研究[D].淮南:安徽理工大学, 2014.