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。

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。

为研究土的不同状态对桩基础桥梁地震反应的影响,以青藏线某跨度32m的高桩承台简支梁桥为工程背景进行分析。根据桩基础桥梁的振动特点,建立非线性有限元动力模型,分别分析冻土和非冻土2种不同状态下结构的地震响应。结果表明,冻土状态下承台加速度反应及振动频率较大,非冻土状态下承台的水平位移、桩尖压入变形及震后残余缝隙较大;非冻土状态下桩的水平位移较大,冻土状态下桩的剪力及弯矩最大值较大;冻土模型桩顶部内力较大,内力较大值的分布区域相对较小;非冻土模型桩底部内力较大;承台底部力~位移滞回曲线在冻土状态下呈滑移接触的特点,非冻土状态下呈饱满的纺锤状。

基于水平循环荷载作用下不同负温冻土环境中单桩动力特性模型试验结果,在已有分析桩-土-结构相互作用的动力BNWF模型的基础上,提出改进的冻土-桩基动力相互作用非线性反应分析模型。在该模型中,利用改进的双向无拉力多段屈服弹簧考虑桩侧冻土的水平非线性力学特性,同时兼顾桩侧与冻土间的竖向非线性摩擦效应、桩尖土的挤压与分离作用以及远场土体阻尼对桩基动力特性的影响。其中桩侧水平多段屈服弹簧参数根据冻土非线性p-y关系获得,该关系曲线以三次函数曲线段及常值函数段共同模拟,并由室内冻土压缩试验结果确定。最后基于改进的动力BNWF模型,提取动位移荷载作用下该桩顶力-位移滞回曲线及桩身不同埋深处的弯矩动响应数值分析结果,并与相应的模型试验结果对比,二者具有较好的拟合度,表明本文所提出的改进模型在分析冻土-桩动力相互作用时有较好的适用性。

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。