冻土在我国分布十分广泛，冻胀现象是冻土区经常出现的问题，其导致的工程病害屡见不鲜。冻胀主要是由土体内部温度变化及水分迁移造成的，是一类极其复杂的温度、渗流及应力多场耦合问题。通过对冻土中的温度场进行分析，求解含冰量及孔隙率随温度变化条件下的冻土一般性瞬态热传导方程，获得其近似解析解并应用于冻土热传导过程的预测。通过与有限元计算所得精确解对比，验证其有效性。研究成果对冻土冻胀问题的深入研究具有一定的理论和实践意义。

为了研究温度因素对季节性冻土区域接地网故障测量的影响,测量分析了冻土温度变化过程水分和盐分迁移以及电阻率情况,并在冻土参数测量结果的基础上,采用接地网无损检测装置来分析温度变化对冻土区域接地网故障测量的影响。研究结果表明,冻融阶段温度梯度和孔隙水压梯度是水分迁移的主要驱动力,冻土冻结锋面以上和锋面下缘的土壤含盐量有上升趋势,冻土土壤冻结锋面附近电阻率急剧变化,这些由温度引起的冻土变化直接影响着接地网故障测量的准确度,即冻土深度低于水平接地网深度时,测量接地网故障准确率较高。

为了弄清季节性冻土区域输电线路的接地故障问题,本文在调研黑龙江区域输电故障接地情况的基础上,研究了土体随含水量和冻融循环的变化情况,给出了分析多次冻融循环过程基础的极限抗拔力,进而获得了冻土区域输电线路的接地故障机理。研究结果表明:1)冻土区域线路运行年限越长,接地体故障几率越大,接地故障容易发生在焊接部分等薄弱位置; 2)冻融次数增加导致了杆塔基础极限抗拔力下降,直接引发杆塔地基上拔的现象,从而造成接地体的破坏损伤。针对冻土区域的输电线路接地故障,文中建议采用避开富冰冻土区域等手段,相关的研究结果可为冻土区域输电线路接地的运行检修提供参考。

为掌握大兴安岭多年冻土地区路基工后温度变化规律,选取中俄原油管道漠大线林区伴行路典型多年冻土区路基断面,采用DS18B20温度传感器对建成通车后的路基进行为期两年的温度监测,分析研究路基温度变化、冻土年平均地温、冻土上限变化和冻土温度阴阳坡差异。结果表明:路基范围内各测温点不同深度温度随着气温发生年周期性变化,路基浅层温度变化频繁,随着深度增加,路基内温度变化幅度逐渐减小;不同深度土层最低值或最高值温度出现的时间并不一致,下部土层最低值或最高值温度出现时间明显滞后于上部土层;路基冻结时间自11月份开始,至次年的4月中旬随着大气温度的上升开始融化,冻结时间持续5个月左右;多年冻土为热极不稳定冻土类型,且在上覆路基的影响下,多年冻土产生了严重的退化现象,路基下多年冻土的年平均温度升高;在阴阳坡效应的影响下,大气温度对阳坡面路基下地温深度的影响大于阴坡面,阳坡面路基下多年冻土的年平均地温大于阴坡面,阴坡面路基下多年冻土融化时间比阳坡面的少30 d左右。研究结果旨在更有利于我国大兴安岭地区多年冻土路基稳定性问题的进一步研究,为该地区道路工程建设和维护提供参考资料。

为了研究温度变化对冻土区桩基础在地震荷载下特性的影响本文运用MIDAS/GTS有限元数值分析软件讨论了地震作用下不同温度对单桩基础受力性能的影响,并通过数值计算得出不同模型状况下的特征值、相对位移和弯矩曲线,并与实际值进行对比分析。结果表明,地震下温度升高会使桩基础反应变大,桩基础更容易失稳破坏。

大气温度变暖情况下,研究冻土桩基承载力变化规律,可为设计年限内预测工程结构物的工作状况提供科学依据。根据桩端入土深度及桩土相互作用原理分别对季节性冻土地区桩基和多年冻土地区桩基进行分类,并建立相应的桩土相互作用模型。以实际桩基工程为例,首先,建立大气温度与地温之间的关系,得出冻结期和融化期地面平均温度;然后,建立冻土区季节冻结及季节融化深度和地面平均温度与多年冻土厚度的关系,得出冻土区季节冻结及季节融化深度变化和多年冻土厚度变化;进一步综合季节冻土及多年冻土桩基工作状况的不同,结合已建立的考虑温度变化的桩土相互作用模型,基于现行规范的单桩承载计算公式并考虑不同的土性物理参数的基础上,最终建立大气温度变化与桩基承载力相关方程,预测桩基承载力变化状况。以上研究方法可运用于冻土区桩基承载力初步预测。

利用冻土学基本理论结合哈尔滨至齐齐哈尔客运专线实例,以其沉降监测网复测数据为研究对象,分析和研究了季节性冻土地区沉降监测网工作基点的不同状态。沉降监测网工作基点稳定性是在环境温度变化、冻土深度变化、地下水埋深等多种因素综合影响下共同作用的结果,环境温度的变化会导致冻土深度的变化,这二者结合又影响着工作基点稳定性,而地下水位的深浅也影响着工作基点的冻胀时间和总的沉降量。

试验通过在多年冻土地区进行桩基础承载力试验,对比冻土回冻前后桩基础抗压、抗拔及水平承载,得出了桩基础混凝土水化热加热冻土,使得冻土融化,在冻土回冻前,冻土的冻结强度降低很大;而在冻土回冻后,冻结强度有大幅度提升。试验结果对在多年冻土地区进行建筑基础施工的实际工程应用具有一定的实用价值和指导意义。

对-0.5、-1.0、-1.5℃三种温度下的冻土试样进行单轴循环压缩试验,每5秒测试一次试样内部的温度,得到了不同振动频率、动应力幅值下冻土试样内部温度随振动时间变化的曲线。结果表明:在循环荷载作用下冻土内部温度会升高,动应力幅值越大,温升速率越大;在一定动应力幅值范围内,随着振动频率的增大,温升速率增大;温升幅值受土样是否破坏以及达到破坏的时间长短影响,在一定动应力幅值下,适中的某一振动频率下其内部温升幅值最大;冻土试样的破坏受其内部温度升高的影响,如果冻土试样内部温度不断升高,试样最后将会发生破坏;而不会破坏的试样内部温度升高到一定值后保持稳定或开始下降,这是由于试样和所处环境之间的热交换引起的。

文中研究季节冻土层对人工冻土墙温度场的影响。研究结果表明,季节冻土层有无及季节冻土层温度的不同对冻土墙轴面和界面交点处的温度存在影响。季节冻土层温度越低,人工冻土墙温度变化速率越快。随着季节冻土层温度的升高,人工冻土墙最终温度也有所升高,当无季节冻土层时人工冻土墙温度变化速率最慢。试验结果对利用天然冷能节省人工冻结耗能技术在实际工程中的应用具有一定的实用价值和指导意义。