三江源冻土、植被二者之间存在着强烈的相互作用的关系，并通过改变土壤水热特性以及地表-大气间的能量和水分交换过程影响局地气候，加快或减缓气候变化，源区的生态安全面临挑战。本文综述了近几十年来三江源区冻土、植被特征及变化趋势、冻土-植被相互作用过程以及冻土、植被变化的气候效应，在此基础上对未来研究方向进行了展望。主要认知如下：三江源地区是季节性冻土和多年冻土的交汇带。植被类型有高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠等，植被生长季较短。近几十年来，在全球变化影响下，源区冻土和植被经历了快速的变化。冻土土壤温度明显升高；多年冻土面积减小而季节性冻土面积增加；多年冻土活动层厚度及融化期增加而季节性冻土最大冻结深度及冻结期减小。植被物候整体表现出返青期提前，黄枯期推迟，生长季延长的特征；同时高寒植被生态系统的结构和功能也发生了明显变化。土壤的水、热状态是连接冻土和植被相互作用的重要纽带。冻土的冻融状态，土壤的水、热过程对高寒植被的生长有着密切的影响；同时位于冻土上层的植被，又通过植被特征和生态系统的变化，影响土壤温度、湿度，反作用于冻土的形成和发展。冻土和高寒植被作为三江源两种典型的下垫面，在陆-气相互作用...
多年冻土区铁路桥梁工程中广泛采用高承台桩基础形式，多年冻土层的存在会对铁路桥梁高承台桩基础抗震性能产生显著影响。为系统研究多年冻土区铁路桥梁高承台桩基础地震破坏机理及抗震性能，确保其合理的抗震设计，首先开展冻土-桩基础相互作用拟静力室内模型试验，并建立多年冻土区铁路桥梁桩基础有限元模型，分析多年冻土层对高承台桩基础地震破坏机理及抗震性能的影响规律；其次在验证有限元建模方法正确性的基础上，对拟静力试验中的原型桥梁桩基础进行IDA时程分析，并对96条地震波作用下桩基础地震反应的平均值进行线性回归分析，进而得到不同条件下桥梁高承台桩基础在不同破坏状态所对应的地震易损性曲线。结果表明，多年冻土层的存在能有效提高桩-土体系的水平承载力及变形能力，增强其整体刚度和耗能能力，同时也会改变桩基础的地震破坏模式，使桩基础的塑性区域扩大，破坏程度显著增加；随着地面峰值加速度PGA的增加，不同损伤状态下桥梁桩基础的破坏概率逐渐增加；随着多年冻土的退化，桩身最大曲率明显减小，高承台桩基础的破坏概率大幅度下降，而墩顶最大位移明显增大，降低了桩基础的地震稳定性；随着桩身自由段长度的增加，桩身最大曲率和墩顶最大位移...
冻土区管道工程建设面临冻土工程特性及相关地质问题的严重挑战，开展管道-冻土相互作用研究对于解决管道稳定性问题具有重要的实际指导意义。综述国内外输油管道-冻土热力相互作用研究进展发现，目前研究集中在特定（定值或周期变化）油温下管周土温度场的定量描述以及差异冻胀/融沉下交界面处管道力学响应规律的解耦分析，缺乏完整时空序列的现场综合观测与管土界面特性及其动态演化研究。对管道防融沉措施进行归纳总结发现，各措施应用效果缺乏管道应力与变形数据的有效支持。应加强管道本身与管道沿线次生冻融灾害监测及相关数据获取，以此为校验开展管土界面特性及演化规律的系统研究，以便构建更为合理的管土接触面单元模型，将其和具有普适性的冻土模型相结合，植入有限元软件提高管土相互作用模型计算可靠性，并建议立足管道变形角度对防融沉措施的工程应用效果予以综合评价。
冻土和地震是我国西部高寒高烈度地区桥梁工程建设中主要面临的两大挑战。冻土区线路工程广泛采用桩基础桥梁,土体冻结后会显著影响地震作用下桩-土动力相互作用过程,给桩基础桥梁抗震分析带来困难。首先系统总结和分析了冻土对桥梁结构地震响应的影响、桩-冻土相互作用效应及其计算模型等方面的研究现状,进而对相关成果进行了科学分析。研究表明:冻土的存在对桥梁结构地震反应的影响是显著的,桩基础桥梁抗震设计中不考虑冻土效应是不合理的。目前还存在的问题包括:冻土区桥梁结构地震反应的研究中,未充分考虑冻土效应;现有桩-土相互作用模型无法有效应用于冻土领域;地震作用下桩-冻土体系相互作用机理及其破坏特征不明确。在此基础上,提出了考虑冻土效应后桥梁桩-土动力相互作用为今后需要重点研究的方向。
管道是油气资源的最为常用的运输方式。当管道穿越寒区时,将面临管沟融陷、冻胀融沉以及边坡蠕滑三种管道病害,因此管土的相互作用成为寒区管道设计和运营的重要考虑因素。本文研究了埋地管道的发展概况,分析了寒区埋地管道的设计、施工和运行技术发展。分别对管沟融陷、冻胀融沉以及边坡蠕滑三种病害的机理进行相应的分析,并给出三种病害的防治措施。最后,归纳总结了埋地管道与冻土相互作用仍有许多重要的岩土工程问题需要进一步研究,其对于改善寒区的管土相互作用有着重要意义和同时也有着巨大的研究空间。
本项研究从冻土场地效应、冻土对桥梁地震响应的影响、冻土与桥梁结构相互作用3个方面总结了冻土区桥梁抗震的多年研究现状,旨在推动多年冻土区桥梁抗震理论的发展.结果表明:冻土场地地震效应显著,目前多年冻土区桥梁抗震设计中未充分考虑冻土场地效应的影响,且缺乏相应的抗震规范依据.大量数值分析结果显示,季节与多年冻土层均对桥梁地震响应产生显著影响,而目前多年冻土区桥梁结构-冻土体系的耗能机制及破坏特征的研究不充分,仍需大量震害调查和试验研究.对于多年冻土区桥梁工程广泛采用的桩基础形式,冻土层的存在使得地震作用下桩-冻土相互作用机理复杂化,桩-冻土相互作用理论计算模型有待完善.桥梁抗震分析中未充分考虑冻土水热效应的影响(冻土随温度和含水量等水热特性变化引起的力学性能的改变).上述问题都是今后多年冻土区桥梁抗震研究需重点关注的方向.
在地震荷载作用下,桩基在土层界面处易出现变形和应力集中,该现象在冻土与其他土层的界面处尤为明显,是导致冻土覆盖场地桩基失效重要原因。EPS材料(发泡聚苯乙烯)具有改善应力集中和减压的作用,在工程中被广泛用作路基填料。为评价EPS材料的减振性能,本文将EPS材料用作桩身和冻土层间的保护层,进行了振动台模型试验及数值计算。并进一步地在数值计算中探讨塑性材料的减振效果。结果表明,EPS材料能降低冻土覆盖场地中桩的应变、剪力、压力的峰值,具有良好的减振性能。塑性材料降低剪力、压力的性能更强,且效果随材料横截面积增大而变得更好。
青藏工程走廊是连接西藏与内地的战略通道,已建数条重大工程聚集于这一狭窄地质环境脆弱敏感带内。随着西藏自治区新一轮的经济发展,包括青藏高速公路、铁路复线、高压输变电线路等重大线性工程已纳入到国家相关发展规划中,尤其青藏高速公路的建设迫在眉睫。廊内控制性环境地质问题是冻土,重大工程建设在受到冻土地质环境制约的同时,也将产生显著的环境效应,且随着走廊工程布局的日益密集,构筑物群相互热影响及对走廊冻土地质环境的扰动将日益突显。面对这一问题,在国家自然科学基金重点项目支持下,开展"青藏高速公路修筑对冻土工程走廊的热力影响及环境效应"研究。从项目的研究意义、拟解决的关键科学问题、主要研究内容和预期目标4个方面进行介绍,以期为相关科研、工程技术人员提供参考。
管道是长距离输送天然气或石油的最经济有效的工具之一,当管道穿越冻土区时,将面临土体冻胀融沉作用引起的管道弯曲变形和破坏,管土之间的相互作用为冻土区管道设计和运营的重要考虑因素。简述目前世界上主要的穿越冻土区管道工程(罗曼井管道、俄罗斯远东地区管道、美国阿拉斯加管道及中国寒区管道网)的设计理论发展,归纳总结了管土相互作用室内外相关试验、数值模拟分析理论和方法等方面的研究成果和发展现状,并针对冻土区管土相互作用的研究提出进一步的研究展望。
针对地下水流过程及其与地表水转化关系研究中,冻土分布特征及融冻过程对地下水系统的影响机制相关研究较少的问题,通过分析国内外冻土区地下水对河道径流的贡献、地下水流动路径和地下水-热耦合模型的相关文献,对地下水流过程及其与地表水转化研究进行综述,认为:①受土壤中冻土空间异质性的影响,不同冻土区地下水对径流的贡献比例不一致;②利用水化学和同位素示踪剂研究地下水流动路径,有助于冻土区地下水流动系统概念模型的构建,但只能获得定性或半定量的结果;③地下多相流系统的水-热耦合模型可将冻土的变化与其相应的水文响应过程耦合在一起,实现了地下水流过程及其与地表水转化关系的定量刻画,但在实用性方面仍需进一步完善,是未来的主要研究方向。