多年凍土區(qū)公路路基尺度效應(yīng)理論與方法

• 第1章緒論

• 第2章基于地－氣耦合的凍土路基能量交換計(jì)算方法

• 第3章公路凍土路基水－熱－變形效應(yīng)理論模型與研究平臺

• 第4章凍土路基的空間效應(yīng)

• 第5章凍土路基的時間效應(yīng)

• 第6章凍土路基的結(jié)構(gòu)效應(yīng)

• 第7章凍土路基能量平衡設(shè)計(jì)理論與方法

• 第8章大尺度凍土路基穩(wěn)定技術(shù)

• 第9章尺度效應(yīng)理論與技術(shù)的工程示范

• 第10章展望

• 主要參考文獻(xiàn)

本書針對多年凍土區(qū)高速公路大尺度路基的尺度效應(yīng)理論與技術(shù)問題，應(yīng)用理論分析、數(shù)值計(jì)算、室內(nèi)模型試驗(yàn)、實(shí)體工程試驗(yàn)等方法，系統(tǒng)介紹凍土路基上邊界條件、尺度效應(yīng)研究的理論模型和方法、凍土路基的空間效應(yīng)、凍土路基的時間效應(yīng)、凍土路基的結(jié)構(gòu)效應(yīng)、凍土路基能量平衡設(shè)計(jì)方法、新型大尺度路基穩(wěn)定技術(shù)等內(nèi)容，最終形成涵蓋公路凍土工程理論、設(shè)計(jì)方法和穩(wěn)定技術(shù)的理論與實(shí)踐體系。

多年凍土及土壤季節(jié)凍融循環(huán)對地～氣間熱量交換、生態(tài)～水文過程、水資源都起著至關(guān)重要的作用。黑河流域上游位于祁連山高寒帶山地多年凍土區(qū)，是黑河流域的主要產(chǎn)流區(qū)。針對黑河流域“凍土變化過程及其流域水文效應(yīng)的辨識”的科學(xué)問題，本課題將應(yīng)用野外鉆孔勘探，定期、定點(diǎn)觀測，遙感及數(shù)值模擬方法，對黑河上游土壤季節(jié)凍融過程、多年凍土分布及其流域水文效應(yīng)進(jìn)行全面系統(tǒng)研究；揭示黑河上游多年凍土空間分布特征、土壤季節(jié)凍融過程及其影響因素；編制大比例尺（1:100000）黑河上游活動層及多年凍土圖，為凍土水文模型及流域水文集成研究提供基礎(chǔ)資料；綜合研究黑河上游活動層、多年凍土及其變化對水文過程的影響，特別是其與地表徑流和地下水的相互作用。系統(tǒng)分析在氣候變化條件下土壤凍融過程、多年凍土演化過程及其對流域水文過程，水資源形成過程及生態(tài)環(huán)境的效應(yīng)；明晰凍土的水資源效益，最終為提高流域出口河流徑流預(yù)報提供可靠的科學(xué)依據(jù)。

在“黑河流域生態(tài)-水文過程集成研究”重大研究計(jì)劃支持下，針對黑河流域“凍土變化過程及其流域水文效應(yīng)的辨識”的科學(xué)問題，項(xiàng)目開展了凍土野外調(diào)查、定點(diǎn)觀測及室內(nèi)試驗(yàn)等，系統(tǒng)研究了凍土分布、活動層水熱過程、多年凍土區(qū)水文過程產(chǎn)流機(jī)制、多年凍土層下水、凍土未凍水、地表水與地下水相互作用，以及凍土變化對生態(tài)-碳循環(huán)的影響。主要取得以下成果：黑河流域多年凍土下界處海拔~3650m，多年凍土厚度10-137m，年平均地溫>-2°C，大部分屬于不穩(wěn)定型和過渡型多年凍土。多年凍土區(qū)約占黑河流域10.3%?；顒訉雍穸冉橛?.8m-4.8m?；顒訉雍穸瓤臻g變化主要受海拔高度、坡向、泥炭含量及泥炭層厚度、巖性、土壤水分含量等因素影響?；顒訉影l(fā)育過程對徑流產(chǎn)流有顯著影響。徑流系數(shù)在消融初期較高，消融中期最低；降水量、融化深度、土壤濕度和地表蒸發(fā)是決定多年凍土區(qū)徑流產(chǎn)流機(jī)制的重要影響因素。凍土中未凍水含量主要受溫度控制，以指數(shù)曲線隨溫度降低而減少。多年凍土底板下可能存在地下水層，深度在80-120m之間。多年凍土區(qū)地表水略微補(bǔ)給地下水； 季節(jié)凍土區(qū)地下水補(bǔ)給地表水。初步探測表明，在熱融滑塌區(qū)，地表沉降速率最大，沉降速率可達(dá)4 cm/yr。熱融滑塌的發(fā)育導(dǎo)致草地群落在結(jié)構(gòu)和類型都發(fā)生著強(qiáng)烈的變化，植被類型由高寒沼澤草甸向高寒草原的方向發(fā)展。黑河上游溫度升高可能會增強(qiáng)山地多年凍土區(qū)沼澤草甸生態(tài)系統(tǒng)的碳匯作用，而高寒草甸可能起到碳源作用。多年凍土區(qū)“生銹的碳庫”占總有機(jī)碳庫約20%；熱融滑塌導(dǎo)致碳氮量減少30%；多年凍土退化加速了碳的流失，且微生物可利用性降低。這些研究結(jié)果明晰了凍土的水資源效益，可以為提高流域出口河流徑流預(yù)報提供可靠的科學(xué)依據(jù)。 2100433B

力學(xué)系統(tǒng)往往包含碰撞接觸及摩擦作用激發(fā)復(fù)雜的多尺度效應(yīng)。理解這些尺度效應(yīng)在不同層次模型結(jié)構(gòu)中的貢獻(xiàn)，是多學(xué)科所關(guān)注的重要內(nèi)容之一。歸納不同尺度效應(yīng)中的有序結(jié)構(gòu)，依賴于精細(xì)的實(shí)驗(yàn)觀測和有效的數(shù)學(xué)定量化表示。如何對所關(guān)注的尺度效應(yīng)進(jìn)行合理的縮放，克服觀測手段的局限性，是展現(xiàn)尺度特征和建立層次化模型的重要手段。本項(xiàng)目將研究三類具有典型尺度縮放效應(yīng)的力學(xué)系統(tǒng)：（1）跳動啞鈴系統(tǒng)；（2）滾動多邊柱體。（3）多米諾骨牌。我們期望針對三類系統(tǒng)的研究，關(guān)注如下科學(xué)問題：跳動啞鈴系統(tǒng)中的有序動力學(xué)結(jié)構(gòu)及其宏觀量子化表現(xiàn)；滾動多邊柱體與滾動摩阻效應(yīng)的關(guān)聯(lián)；多米諾骨牌中的孤立波效應(yīng)。以上三類系統(tǒng)均包含復(fù)雜的碰撞接觸及摩擦作用。本項(xiàng)目將基于所發(fā)展的LZB方法開展相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和理論研究工作。預(yù)期成果不僅有助于動力學(xué)基本理論的發(fā)展，而且在控制、工程應(yīng)用等多學(xué)科發(fā)現(xiàn)重要的應(yīng)用價值。