中蒙俄经济走廊东段位于欧亚大陆多年冻土区东南缘及森林线南界接近区,冻土及生态环境脆弱。本文基于MERRA-Land陆面模式离线运行产品分析了中蒙俄经济走廊东段2000—2015年间冻土冻融的时空变化模式,以及冻土变化对返青期和全年不同阶段植被生长状态的影响。研究表明:2000—2015年间研究区多年冻土及季节冻土均持续退化,时间上主要表现为冻土提前解冻、延迟冻结;空间上主要表现为多年冻土南界的多年冻土退化和季节冻土下限抬升,及连续多年冻土南界的活动层加厚。解冻始日是森林地区植被返青的主控要素,林下冻土解冻对土壤含水量的增加及沼泽湿地的隔热蓄水功能影响了森林地区植被的生长。但随着多年冻土南界森林及林下泥炭地演替为草甸和农田,多年冻土退化,进一步促进林下沼泽湿地的消失。探讨冻土退化与生态环境之间的协同关系,有助于识别气候变暖和人类活动叠加影响下的冻土退化脆弱区以及生态环境敏感区。

针对季节冻土区路基填土春融时常处于强度不稳定的状态,根据季节冻土特性选取冻结温度、融化温度、围压、含水率4种影响因素,对张家口季节冻土区粉质黏土进行了模拟正融土的常规三轴试验,采用灰色关联分析法对试验结果进行分析,给出了4种影响因素对强度的敏感性排序。结果表明:含水率、融化温度、冻结温度的敏感性超过60%,需要重点考虑。9%含水率时,土样强度较高,发生脆性破坏,随着含水率的增大,向延性破坏转变;融化温度主要影响土体剪切过程中融化速度和排水固结的速度,温度越低,土样强度越高;冻结温度通过改变土颗粒和冰晶体的胶结程度来影响强度,冻结温度越低,胶结作用越强,但低于-10℃后,强度增长缓慢;围压越大,土体强度越大,不同围压影响下,应力-应变曲线的形状和走势却大致相同,分析结果可为季节冻土区实际工程提供一定的参考。

多年冻土区运营的油气管道的地基土冻胀融沉容易引起管道的屈曲变形,严重影响管道的安全稳定。以大兴安岭多年冻土区中俄原油管道沿线4种典型的管道地基土为研究对象,通过冻胀、融沉试验分析了各种土样的融沉系数、冻胀率与其影响因素之间的关系,采用灰色关联度法对融沉系数、冻胀率影响因素的敏感性进行了分析。结果表明:试验土样的融沉系数和冻胀率受含水率、干密度等因素影响较大,超塑含水率、含泥量及烧失量对粉土、砂土及泥炭化土亦有显著影响。通过灰色关联度分析可知,含水率虽是冻胀、融沉的最主要影响因素,但并非绝对,对于有的土质其含泥量与超塑含水率起主要作用,设计施工时需要高度重视。研究结果可为多年冻土区埋地管道的设计、施工、运营维护以及冻害防治提供科学依据与理论参考。(图10,表7,参23)

为确定多年冻土边坡稳定性影响因素的敏感程度,考虑冻融循环对边坡土体的损伤作用和边坡局部冻融的特殊性,在影响边坡稳定性基本因素的基础上,引入季节活动层冻融深度和冻融损伤系数,提出基于有限元的温度场-应力场(热-力)耦合多年冻土边坡稳定性分析方法,从而得到边坡的稳定性系数,并将稳定性系数作为系统特征量,利用正交试验对各影响因素进行交互设计,运用改进的灰色关联分析模型进行关联度分析。结果表明:土体黏聚力对多年冻土边坡稳定敏感程度最大;冻融损伤系数、季节活动层冻融深度、内摩擦角、坡度和密度,说明环境因素对多年冻土边坡的影响不容忽略。在该地区冻土边坡防护治理中,通过有效措施减少极端气候条件的影响,是极为重要的。

以整治青藏铁路环青海湖段季节性冻土区路基冻害为背景,通过现场采集典型分布的粉质黏土,考虑温度、含水率、含盐量(质量分数)、压实度四个因素,进行室内冻胀正交试验,测试了不同温度环境下路基土体的冻胀率,进行正交试验的极差分析和方差分析,建立灰色关联度分析模型,分析各因素对冻胀影响的主次关系。结果表明,正交试验分析和灰色关联度分析所得规律一致,影响冻胀因素由主到次依次为温度、含盐量、含水率和压实度,因素之间的交互作用影响较小可以忽略;温度和含盐量对冻胀影响非常显著,含水率对冻胀有显著影响,压实度和其他3个因素之间的交互作用对冻胀没有显著影响。

通过对多年冻土路基变形影响因素的分析,将路基下原天然上限温度、冻土含冰量、路基高度、天然上限深度及高含冰层距离原天然上限深度五个因素作为影响冻土区路基(变形)稳定性的主要因素,采用了基于组合权重的灰色关联度决策方法,建立了多年冻土区路基稳定性评价体系。通过分析评价结果与沉降的对应关系,表明所建立的评价系统能够较为真实地反映路基的稳定状态。研究结果表明建立的评价体系可以较好地评价监测断面路基稳定性所处的状态,为诊断多年冻土区路基健康状态和多年冻土区路基维护决策提供了有效的支持方法。

冻土活动层是冻土地区地层内水热交换最为活跃的区域,对气候与环境变化十分敏感。黑龙江省气候环境独特,冻土活动层受到地理位置(坡度、坡向及高程)、下垫面因素(地表土壤含水量、植被、积雪)及太阳辐射(地表反照率、土壤感热及潜热通量)等环境与气候变化的影响十分敏感。通过灰色关联、相关分析、趋势度检验、向量自回归模型发现:年内尺度上,冻土活动层厚度主要受到土壤含水量及植被的影响较大;年际尺度上,冻土活动层与积雪、植被、潜热通量呈负相关,并在不同的区域呈极显著负相关;与感热通量呈正相关,并在部分区域呈极显著正相关。近30 a来冻土活动层及各影响因素在各区域呈现不同的变化趋势,各影响因素对冻土活动层厚度影响程度不同,由高到低依次受到潜热、土壤含水量、植被、感热及雪深的影响,特别是潜热对冻土活动层厚度长期变化的贡献率达到35.09%。这种现象与东北地区独特且复杂的地理环境以及近30 a来各因素的变化关系密切。

为合理全面确定各影响因子及其权重,客观分析青藏铁路冻土路基安全性,基于ANP结构模型和扩展TOPSIS方法建立青藏铁路冻土路基安全性分析模型。模型选取7个典型监测断面,确定17个主要影响因子,利用ANP结构模型并基于Super Decision软件分析各因子权重,然后基于扩展TOPSIS方法计算各监测断面的灰色关联度,得出各监测断面的安全性排序。将分析结果与已有成果进行对比,结果基本一致;将评价结果与实际对比分析可知,7个监测断面的安全性与现场情况高度吻合。利用所提出的模型进行路基安全性分析是有效的。

为分析人工冻土单轴抗压强度影响因素敏感性,选定人工冻土单轴抗压强度的7种影响因素,按正交试验设计方案进行大量冻土单轴压缩试验,并采用灰色关联理论对试验结果进行分析,研究分析诸因素敏感性排列顺序.试验结果表明:在选定的7种影响因素中,温度为最大敏感因素,其它依次为深度、土性、养护时间、加载速率、含水率和密度,且选定的7种因素均为重要影响因素,为相关室内试验与工程应用提供依据.

煤矿开采对多年冻土影响剧烈,使得煤矿区冻土环境非常脆弱,煤矿区冻土环境评价显得极为重要。文章基于灰色系统理论和矢量投影原理,建立了煤矿区冻土环境评价的灰色关联投影模型,将评价样本和各级评价质量标准视为矢量,分别向同一矢量(理想样本)进行投影,根据投影值的大小,确立样本所属的质量级别及样本间的优劣排序。以青海木里煤田为例,基于由冻土冻融侵蚀敏感性、冻土热稳定性和冻土生态脆弱性三个子系统组成的冻土环境评价指标体系和评价标准,采用灰色关联投影模型对冻土环境进行了综合评价。研究结果表明:木里煤田冻土环境质量为一般状态,评价结果客观、准确,与实际相符;该模型应用于煤矿区冻土环境评价是科学的、有效的,具有一定推广和实用价值。