青藏高原气候暖湿化现象的持续，对青藏铁路安全平稳运行提出了更高的要求。在气候环境变化条件下，西大滩盆地与安多盆地之间的多年冻土退化所引发的基础设施变形是青藏铁路面临的最大挑战。青藏铁路建设初期，就从调控对流方式、调控传导方式及调控辐射方式三个角度研究了青藏铁路多年冻土的保护措施。本文介绍了目前针对多年冻土问题所采取的各类维护措施，将不同技术的特点和优势进行综述，并得出结论：未来针对青藏铁路多年冻土的保护措施应结合现有技术的成功经验，发挥新材料和新能源的优势。
冻土活动层厚度（Active Layer Thickness,ALT）的变化是反映青藏高原多年冻土发育情况及其状态的一个重要指标，监测活动层厚度变化对寒区景观稳定发展、碳循环等方面具有非常重要的意义.由于合成孔径雷达干涉测量（Interferometric Synthetic Aperture Radar,InSAR）技术具有大范围、高精度、高时空分辨率等优势，近年来逐渐被用于反演活动层厚度.已有研究中基于InSAR和土壤一维热传导模型的活动层厚度估计方法，没有充分考虑到冻土中土壤水分对流引起的热量传递.因此本文提出了基于InSAR时序形变及土壤热传导-对流模型的活动层厚度估计方法，利用土壤热传导-对流模型建立InSAR探测的最大融沉形变与最高地温之间的滞后时间与活动层厚度之间的相关关系，实现了由滞后时间直接推算大范围、高分辨率的冻土活动层厚度.本文以青藏高原五道梁多年冻土区为例，利用116景Sentinel-1影像图作为实验数据，估计了该地区2017—2020年的平均活动层厚度.结果表明，活动层厚度值范围为0～7.0 m，平均活动层厚度为3.06 m，与已有研究中相近时间段相关成果及...
本文提出了一种具有通风降温、支挡锚固和减胀减震功能的新型框架通风锚杆冻土边坡支护结构，并阐述其工作机理。基于传热学和自然对流理论，建立新型框架通风锚杆与土体换热的计算模型，对其降温效果进行了分析；基于Winkler理论，建立冻胀和融沉阶段新型框架通风锚杆与土体相互作用的力学简化计算模型，分析冻胀和融化阶段新型框架通风锚杆受力性能。结合算例，采用提出的简化计算方法分析了新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡的热学和力学效应，并通过模型试验与理论计算对比，对所提出理论计算方法的合理性进行验证。结果表明：(1)新型框架通风锚杆能够充分发挥冷季吸收冷量冻结土体、暖季屏蔽热量保护冻土的作用，并逐年抬升冻融交界面；(2)新型框架通风锚杆支护结构支护效果良好，能够减弱土体冻胀作用，提高多年冻土边坡的稳定性；(3)所提出简化计算方法以期为新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡提供理论依据。
为解决气候变暖、施工扰动引起的多年冻土区公路路基融沉失稳问题,探索适用于东北地区多年冻土的路基结构,该研究提出采用大粒径块石层换填地基多年冻土层的新型路基结构对路基变形进行改善,并在京漠公路瓦拉干至西林吉段工程中进行实践。对比不同换填材料对路基热稳定性的影响,将换填角砾路基结构作为对照,建立考虑水分相变和空气自然对流换热的传热模型,对2种路基交工后20 a内的温度状况进行数值计算。结果表明,2019—2039年,换填块石路基和换填角砾路基下多年冻土上限分别降至-4.43 m和-6.51 m,融化夹层面积分别增加至44.48 m2和72.53 m2。换填块石路基比换填角砾路基下多年冻土上限更高,融化夹层更薄。而且换填块石路基下多年冻土上限始终位于块石层内,由于块石颗粒间能够形成良好的嵌锁结构,从而有效抵御地基不均匀变形,因此该路基结构可以有效减小路基沉降量。然而,换填角砾路基下多年冻土上限已经进入中风化安山岩层,而且角砾颗粒间不能形成良好的嵌锁结构,也无法抵御地基不均匀变形,由此判断换填角砾路基的融化沉降量较大,该路基结构不适用于东北多年冻土区...
针对多年冻土边坡的冻融滑塌问题,结合无动力通风技术、通风管降温技术和锚固技术,提出一种新型框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构,并阐述了新型结构的工作机理。基于通风工程和传热学理论,建立免动力加速对流锚杆与土体换热的计算模型,给出免动力加速对流锚杆的热效应理论计算方法;基于Winkler弹性地基梁理论,建立框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构与土体协同工作的计算模型,提出框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的力学效应理论计算方法。结合算例,采用提出的理论计算方法对框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的热-力学效应进行分析,并利用自主研发的框架免动力加速对流锚杆支护多年冻土边坡的水热力耦合分析软件对提出的理论计算方法进行验证,结果表明:(1)无动力风帽极大提升了免动力加速对流锚杆的通风能力,增大了外界冷空气与边坡内部土体之间的对流换热强度,促使多年冻土边坡内冻融交界面逐年抬升;(2)框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构减弱了边坡土体的冻胀作用,能够提高多年冻土边坡的稳定性;(3)文章提出的理论计算方法具有一定的准确性和合理性,可为框架免动力加速对流锚杆边坡支护结构的设计提供理论依据。
在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。
印度洋-太平洋对流振荡（Indo-Pacific convection oscillation，IPCO）是发生在北印度洋和西北太平洋之间的反位相对流振荡。已有研究表明，IPCO与东亚夏季风有紧密的联系。但是，引起IPCO年际变化的物理成因还没有被讨论过，其对西北太平洋热带气旋活动的影响也缺乏系统、深入的研究。本项目拟利用观测资料，通过资料统计和动力诊断，并结合理论分析和数值模拟，围绕IPCO这个中心，研究引起IPCO年际变化的海气相互作用过程，讨论IPCO对西北太平洋热带气旋活动的影响及其机制。此项目对我们进一步理解IPCO的活动规律，以及提高对东亚夏季气候的认识具有重要意义。
2016-01夏季亚洲季风区（ASM）是对流层大气成分进入全球平流层的一个重要通道，这些物质通过化学、微物理和辐射过程对臭氧层和全球气候具有重要影响，因而成为科学界关注的热点问题；青藏高原，由于其高大地形和夏季强热源对大气环流的强烈作用，而在平流层-对流层大气物质交换中具有重要贡献。目前关于ASM上对流层/下平流层（UTLS）大气结构及变化特征、平流层-对流层交换过程与机理以及对全球平流层大气收支贡献的认识方面，主要基于卫星观测和数值模拟，具有很大的不确定性，其中该区域大气成分观测资料的不足是一个重要的制约因素。本项目拟开展ASM水汽-臭氧-粒子联合探测试验，结合卫星观测资料分析ASM-UTLS大气成分结构，通过个例模拟和诊断分析探索ASM对流层污染物向平流层的输送过程和机理，定量评估ASM在全球平流层大气成分收支中的贡献。为进一步研究ASM平流层-对流层交换的全球气候环境效应提供事实依据和物理基础。
2014-01多年冻土区蕴藏着丰富的矿产资源,矿业开发已成为多年冻土区经济发展的主要产业之一,但是其开采过程将不可避免地受到冻土的影响,也造成多年冻土区生态环境恶化的影响.在西部大开发的进程中,能源需求量逐渐增加,而多年冻土区矿山露天开采量逐渐减少,开展多年冻土区矿山地下开采相关的研究工作显得尤为迫切.基于前人在非冻土区的相关研究成果,结合位于多年冻土区的江仓矿区气象资料,利用MATLAB软件编写入风井筒风温计算程序,并引入临界温度的概念研究入风井筒风温的变化规律,确定了影响因素,获得了矿井通风与多年冻土井筒围岩的对流换热边界条件中风流温度的拟合函数,其计算方法和结果为下一步采用数值模拟的方法研究矿井通风对多年冻土井筒围岩的热影响提供了参考依据.
对流换热是多年冻土地区路基对外热交换的重要形式。利用自行开发的热风环境试验机,考虑不同路面材料类型、风速变化、温度梯度3个因素,对影响冻土路基温度场的对流换热状况进行室内模拟试验研究。研究表明:风速、温度梯度、路面材料类型3个因素对于对流换热系数有着交互影响,随着风速与温度梯度的增加,对流换热系数呈上升趋势。沥青路面材料的对流换热系数较水泥路面材料稍大。研究中给出了不同状况下对流换热系数的回归公式,并分别给出青藏高原地区沥青混凝土路面及水泥混凝土路面对流换热系数的推荐值。