为探讨热管最佳工况，搭建了适用于多年冻土区的氨-钢热管试验台。通过监测热管内部轴向、外壁的温度分布以及外壁面的热流密度变化，在负温条件下开展了不同充液率（20%、30%、40%）和倾角（10°、30°、50°、70°、90°）对热管传热性能影响的试验。试验结果表明：在三种充液率下，热管处于10°倾角时均温性最佳；充液率为30%和40%的热管倾角50°时总热阻最小、传热效率最高，充液率为20%条件下热管的总热阻和传热效率在倾角30°时分别达到极小值和最高值。总体而言，充液率为30%的热管具有最佳传热表现。

为解决气候变暖、施工扰动引起的多年冻土区公路路基融沉失稳问题,探索适用于东北地区多年冻土的路基结构,该研究提出采用大粒径块石层换填地基多年冻土层的新型路基结构对路基变形进行改善,并在京漠公路瓦拉干至西林吉段工程中进行实践。对比不同换填材料对路基热稳定性的影响,将换填角砾路基结构作为对照,建立考虑水分相变和空气自然对流换热的传热模型,对2种路基交工后20 a内的温度状况进行数值计算。结果表明,2019—2039年,换填块石路基和换填角砾路基下多年冻土上限分别降至-4.43 m和-6.51 m,融化夹层面积分别增加至44.48 m2和72.53 m2。换填块石路基比换填角砾路基下多年冻土上限更高,融化夹层更薄。而且换填块石路基下多年冻土上限始终位于块石层内,由于块石颗粒间能够形成良好的嵌锁结构,从而有效抵御地基不均匀变形,因此该路基结构可以有效减小路基沉降量。然而,换填角砾路基下多年冻土上限已经进入中风化安山岩层,而且角砾颗粒间不能形成良好的嵌锁结构,也无法抵御地基不均匀变形,由此判断换填角砾路基的融化沉降量较大,该路基结构不适用于东北多年冻土区...

为了解多年冻土区灌注桩浇筑后的桩体温度分布特性、变化规律和桩–土传热过程,基于青藏高原北麓河钻孔灌注桩现场实体试验观测结果和理论分析开展系统研究。结果表明:随着混凝土的灌注完成,首先在桩体与周围土体传热过程方面,桩体表现为较为明显的分层现象,多年冻土上限附近以上部分桩体放热热流相对较弱,而以下部分相对较强;其中热流矢量方向以水平为主,深度垂向方向相对很小、且也主要集中于多年冻土上限附近。其次,在温度变化方面,桩体上、下部分表现为不同的温度变化过程。上部经历了快速升温和缓慢的降温过程,而下部表现为较为稳定的降温过程,并由此导致桩体深度方向温度较大的差异性,最大温度梯度达到约11℃/m,其中热量主要聚集在桩体上部、并形成高温核。因此,桩底可能存在因温度过低引起的强度不足问题;以及大温差可能导致的沿深度方向混凝土温度裂缝和开裂的产生。工程中建议合理控制入模温度或使用低温早强混凝土,以提高混凝土的养护温度并减少温度裂缝的产生。

为研究冻结过程中土、水和冰三者之间的相互关系,建立了基于冻土骨架的导热系数计算模型.骨架模型由土骨架和冰骨架,以及土、水、冰三相之间的相互关系构成.当温度降低至起始冻结温度时,远离土颗粒的孔隙水最先冻结成冰核;随温度降低,冰核逐渐扩张形成贯通的孔隙冰骨架,冻土中的未冻水则存在于土骨架与冰骨架之间.根据球缺接触的土骨架理想化模型,提出了土骨架与冰骨架相互独立,土骨架与未冻水、冰骨架与未冻水相结合的混合传热模式,建立了饱和冻土的复合传热模型及冻土的导热系数模型,计算得到0℃以下冻土的导热系数理论值.分别将导热系数理论值与Johansen法计算值、混合流法计算值和瞬态法的测试结果进行对比,结果表明,复合传热法的计算值处于Johansen法和混合流法的计算值之间,其整体计算精度优于Johansen法,且计算值与实测值相对误差在10%以内.

为研究宽幅XPS保温板路基地温调控效果,对共和至玉树高速公路21.5 m幅宽的XPS保温板路基和幅宽13.5 m热棒-XPS保温板复合路基试验路的冻土地温进行了长期系统的监测。结果表明:宽幅XPS保温板路基冻土上限年下降速率、冻土上限位置升温速率和吸热量分别为宽幅普通路基的76%,62%,55%,然而宽幅XPS保温板路基下伏多年冻土仍以较快的速率发生退化,上限下降速率达到0.5 m/a;铺设黑色路面后,宽幅XPS保温板路基和宽幅普通路基吸热量均增大约1倍;和单一的XPS保温板隔热措施相比,热棒-XPS保温板复合路基对路面下2～5 m范围内土层地温产生调控效果,可有效改善采用单一XPS保温板工程措施的被动吸热状态,提高冻土路基热稳定性。

针对高温多年冻土区隧道传热模型及温度场分布规律开展深入的理论分析、数值模拟和现场监测研究。首先,基于热传导理论,建立隧道衬砌和围岩径向传热模型,利用叠加原理和拉普拉斯变换法求得寒区隧道衬砌和围岩的温度场理论解;其次,建立洞内空气的传热微分方程,根据能量守恒原理,建立隧道纵向洞内空气与洞壁的气-固耦合传热模型,结合径向温度场理论解,提出多年冻土区隧道衬砌、围岩及洞内空气的三维温度场计算方法,该计算方法可考虑围岩、衬砌、保温层等多层传热介质及隧道沿洞轴线的不同埋深;最后,根据依托工程现场实测数据,反演围岩的热物性参数,并运用推导的隧道纵向传热模型和横向传热模型,分析姜路岭隧道不同冻土区内衬砌和围岩中的温度场分布规律。研究结果表明:在隧道径向,多年冻土和非冻土围岩温度都会随洞内气温的变化而产生波动,距离围岩表面越近,温度振幅越大,且热量在围岩径向传递过程中有一定的滞后性;在隧道纵向,在一年中最冷时刻,隧道衬砌及围岩温度呈"两端低,中间高",此时姜路岭隧道围岩、二衬表面最高温度分别为-2.72℃,-7.80℃;在一年中最热时刻,衬砌温度呈"两端高,中间低",此时姜路岭隧道二衬表面最低温度为1....

本文推导出大平面传热法计算停输一日结冰百分率,较以前的双极折线法计算简单易于掌握,并算出高寒地区各种停输为日结冰百分率、管径的埋深列成表格,对两种计算法进行比较,并指出采用大平面传热法计算给水管道埋深时的要点,可供已定停输一日结冰百分率及管径时直接查出管底埋深。

确保多年冻土地基的长期热稳定仍然是当前冻土学科研究的重点和难点。科研人员长期致力于冻土工程关键技术的研究,研发了维护多年冻土地基热稳定的太阳能制冷技术及太阳能制冷装置,以太阳能热能为动力,实现制冷装置不分季节的全时段工作,特别是在暖季,能够有效阻止环境温度对多年冻土地基的热侵蚀。现场试验研究表明:采用该技术及制冷装置后,年均地温较天然年均地温有较大幅度的降低,降温幅度为-2.23-3.9℃,且呈逐年增大的趋势;多年冻土的上限埋深由2.0 m抬升至1.5 m;季节活动层中的制冷影响半径由0.76m扩大至2.56m,多年冻土层中的制冷影响半径最大达到了3.95 m;实际制冷量为所需估算制冷量的2.27倍。总体上,采用维护冻土地基热稳定的太阳能制冷技术及其制冷装置后,季节活动层和多年冻土层的温度大幅度降低,上限埋深明显抬升,有效地维护了多年冻土的热稳定,具有较大的研究价值和应用前景。

在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。

为了给高温多年冻土地区通风管路基建设提供参考,根据青海省共和至玉树高等级公路现场监测数据,研究了通风管路基的传热特征,揭示不同季节通风管管内温度变化过程,分析了冻土上限附近热流密度状况。研究结果表明:冷季时通风管路基底部地温低至-6℃,通风管将外界冷空气的冷量直接引导至路基底部,对下伏冻土层产生了主动冷却效果;在2年的观测期内,路基下伏多年冻土层地温未出现明显变化,冻土上限保持稳定;与同期天然孔地温相比,路基底层下5m附近的土层出现了约0.3℃的升温,但该升温过程在通风管路基建设完成后初期已完成,随后趋于稳定,冻土热状况较为稳定;暖季时通风管的吸热强度是冷季放热强度的2.4倍,1年的吸热量约为7.76 MJ·m-2,通风管路基整体处于缓慢吸热状态。