随着我国对地下资源需求的不断增大，超深立井施工逐渐普遍化。在立井开挖时为了稳固井壁且减少井壁坍塌，一般会选用冻结法施工，但爆破时产生的振动仍然会对井壁的稳定性造成一定的影响，严重情况下出现的塌方现象，会造成一定的人员伤亡、延缓施工进度等危害。为解决此类问题，以赵固二矿西风井704.6 m深厚冲积层冻土爆破掘进工程为研究背景，开展深大立井冻土爆破井壁振动监测，并结合ANSYS/LS-DYNA分析软件建立立井多段爆破三维数值模型，深入探索冻结表土段冻土爆破开挖下井壁的振动响应规律。研究结果表明：冻土爆破引起井壁振动的时程曲线各段波形区分明显，段装药量大、炮孔分布密集的3段辅助孔爆破对井壁振动影响最大，合速度为8.39 cm/s，均在安全范围以内；掏槽爆破时，井壁主要受纵波影响产生振动，垂向振速大于径向和切向振速；辅助爆破时，随着自由面增大，爆破产生的作用力逐渐向水平向扩展，井壁径向振速逐渐占优，垂向振速相对减小；运用一维弹性波理论，分析了爆破引起井壁的振动速度对混凝土应力之间的关系，计算结果小于混凝土抗拉强度；对比数值模拟结果与实测振速波形，验证了模型的可靠性和准确性，并通过模拟分析获得离...

针对毛细水迁移机制难以解释冻结缘及不连续分凝冰的形成，薄膜水迁移机制难以解释孔、裂隙间水迁移造成的不均匀冻胀，在毛细理论和冻结缘理论的基础上，通过对冻结缘区增加一组不同孔径的毛细管，对所有毛细管壁增加一层未冻水膜，构建出冻土的毛细-薄膜水分迁移统一模型。该模型从液压驱动角度分析了冻结大孔和未冻小孔中的液压、冰压以及驱动力分布，统一了冰透镜体暖端的液压驱动力与表面吸附力，并结合分凝冰形成机制，推导出分凝-冻结温度的控制方程。再根据表面吸附力、冻结缘渗透系数随分凝-冻结温度的变化律，在达西定律的基础上，给出了水分迁移速度的显式方程。最后，将Konrad冻胀试验中的主要参数代入该显式方程，发现理论计算值与试验值高度一致，验证了该模型的正确性。

为统一水分迁移的源动力,在薄膜水液压驱动力模型和表面吸附力模型的基础上,构建出薄膜水压-吸单元模型。模型分析表明,在净吸力与实际液压(或理论吸力与实际冰压)的双重作用下,产生表面吸附力,驱使水分沿基质表面切向迁移。鉴于表面吸附力与边界条件无关,对任意形式未冻水均成立,因此为水分迁移的统一源动力。据此,将压-吸单元模型引入到冻结缘理论中,发现实际冰压决定分凝冰形成的温度和位置,理论吸力决定水分迁移方向,而表面吸附力决定水分迁移速度。将Konrad试验中的主要参数代入该表面吸附力方程,发现即使温度梯度从0.10℃/cm增加到0.67℃/cm,试样高度从6.4 cm增加到28.0 cm,只要分凝冻结温度和上覆压力保持不变,表面吸附力始终恒定在-23 kPa,从而验证了该表面吸附力方程的正确性。总之,该模型的建立对完善现有冻胀理论与指导工程实践均具有重要的理论价值和现实意义。

利用三江源地区2018年1-12月涡动相关系统的观测数据,分析该地区冻土/非冻土期内各能量分项支出分配特征和能量平衡闭合率及其影响因子,以揭示其能量平衡特征。结果表明:显热通量、潜热通量、土壤热通量变化趋势与净辐射相似,且在年尺度、日尺度上具有典型的单峰型变化,但潜热通量、土壤热通量的峰值出现时间具有滞后性。非冻土期内,显热、潜热支出以及土壤吸收的热量占总能量的比例分别为0.38、0.37、0.10;而在冻土期内,上述各能量的支出比分别为0.54、0.19、-0.01。全年能量平衡闭合率为0.69,能量平衡闭合率在冻土期和非冻土期内分别为0.63、0.74。三江源地区冻土期内显热支出为主要能量消耗方式,且在该时段内影响能量平衡闭合率的因素主要是湍流动力因子;非冻土期的能量消耗方式为潜热和显热,热力和动力因子均对能量平衡闭合率产生影响。

水合物地层弹性波速度的准确计算对于水合物地球物理方法的探测与识别至关重要.本文针对祁连山冻土区孔隙充填型水合物,分析了水合物赋存于地层岩石孔隙中的分布状态与水合物饱和度的关系,利用基于等效介质理论的弹性波速度模型研究了水合物储层弹性波速度与水合物饱和度的变化关系.研究表明:水合物的微观分布模式与岩石孔隙中水合物的多少关系密切,可用水合物饱和度来表征;水合物饱和度对于水合物地层弹性波速度的影响可视为简单的线性关系,建立了祁连山冻土区的水合物储层正演模拟弹性波速度模型(模型X);利用研究区不同的水合物储层模型,验证了模型X能够有效评价孔隙型储层的弹性波速度变化特征.研究结果可为祁连山冻土区水合物地震勘探与地层测井评价提供理论依据和技术支撑.

针对祁连山冻土区DK-4井孔含水合物岩层构建岩石物理模型,分别采用K-T方程模型方法和区分填充模式的等效介质模型方法(模式Ⅰ和模式Ⅱ)。K-T方程主要模拟地震波在两相介质中传播,基于弹性模量计算速度;而等效介质模型主要依据对水合物地层介质的两种假设:模式Ⅰ是将水合物作为孔隙填充物的一部分,模式Ⅱ是将水合物作为岩石骨架的一部分。首先根据粉砂岩层段的测井数据提取了水合物地层骨架的物性参数,包括纵波速度、横波速度、密度、体积模量和剪切模量。然后依据水合物地层各主要成分的物性参数,建立了基于K-T方程的岩石物理模型和区分填充模式的等效介质模型。将两类模型的速度曲线分别与实际地层数据进行了对比:由K-T方程建立的岩石物理模型,其理论计算的速度偏离实际值;而区分填充模式的等效介质模型,其理论计算的速度符合实际值,并且填充模式Ⅱ模型的速度曲线比填充模式Ⅰ模型更接近实际地层情况。采用区分填充模式的等效介质模型,能够更好地实现对祁连山冻土区水合物粉砂岩地层的模拟。

冻土作为气候系统的一部分,是气候变化的重要指示因子。冻土的冻融过程,对地-气间的能量-水分传输、植被的生长状况和碳循环等具有重要的影响。采用数值模拟方法,分析了冻土冻融过程中伴随的热量传输,直观地呈现了能量和渗水在土壤中的传输过程。通过冻土热传导模型和流体流动模型耦合,采用有限元素法Comsol Multiphysics多物理场耦合软件系统,实现了速度与温度协同响应及对冻土冻融过程影响的模拟。模拟结果直观反映了在理想条件下,冻土冻融过程中温度场与速度场的变化:一方面,在土壤冻融过程中,温度场和速度场是相互作用的,并且其变化对土壤冻融过程起着至关重要的作用;另一方面,比较冻土的冻结过程与融化过程,冻结过程更难于发生且需要更加苛刻的条件。为此,可以间接地认为,永久冻土一旦退化便很难恢复,并且也将进一步加速环境的改变,从而形成恶性循环。

根据青藏工程走廊北麓河及楚玛尔河场地地震危险性分析结果,合成年超越概率为1.97%、1.00%、0.21%、0.10%、0.04%、0.02%的人造基岩地震波作为输入地震动,结合场地钻孔剖面及波速资料,和已有的冻土动力学研究成果,建立一维模型,通过等效线性化方法进行场地地震反应分析计算,研究了青藏工程走廊多年冻土场地地震动加速度峰值特征及影响因素.研究结果表明,北麓河场地与楚玛尔河场地的人造基岩地震波峰值及持时均存在显著差异,北麓河场地峰值大、持时短,以近震影响为主,楚玛尔河场地峰值小、持时长,以中远震影响为主;多年冻土区场地,夏季场地地震动加速度峰值显著大于冬季,活动层融化对场地地震动加速度峰值有明显的放大效应;冬季场地冻结后,场地地震动加速度峰值随冻土波速增大而减小,最大减小幅度为6.1%,随动剪切模量比减小、阻尼比增大而减小,最大减小幅度为8.9%.活动层的融化有利于放大场地地震动加速度峰值,重大冻土工程抗震设防应予以重视.

为了获得PVC、PPR塑料冻结管在盐水冻结的温度场分布情况,采用物理模拟实验和理论求解相结合的研究方法,研究了PVC管、PPR管和钢管的单管冻结问题,分析了3种不同材质冻结管的冻结情况,获得了冻土区温度分布规律,掌握了PVC、PPR管作为冻结管冻土的发展速率,在同种情况下PPR冻结管的速度最慢,PVC管冻结的冻土帷幕平均发展速度约为钢管冻结发展速度的0.8倍。为采用PVC管作为冻结管,确定盐水冻结时间和计算冻结壁厚度,解决盾构进出洞免拔管问题提供基本参数。

为研究季节冻土区铁路路基在不同冻结时期振动特性,针对典型深季节冻土区大庆分别在冻结期、春融期和正常期进行列车行驶路基振动加速度的现场监测。研究结果表明:1季节冻区路基振动加速度有效值衰减速曲线可用负指数函数拟合;2路基振动强度受列车类型、行驶速度、列车编组、列车载重等因素共同影响;3受环境温度变化的影响,在冻结期自路基基床表层向下冻结,这部分冻结层使路基强度和刚度增加,阻尼比减小,因而导致加速度幅值在纵向和竖向被放大而在水平方向被抑制;4在春融期自基床表层向下开始解冻,由于其下部土体仍处于冻结状态,融化产生的水分无法及时从底部排出,于是形成饱水层使结构层强度大大降低,此时在上部列车荷载作用下,加速度幅值在纵向和竖向被抑制而在水平略有增加。