多年冻土区建筑物地基热侵蚀主要表现为对多年冻土的热侵蚀，从而造成房屋裂缝、倾斜甚至墙倒屋塌等病害现象。本文选取了多年冻土区有、无保温板的条形基础为研究对象，通过数值计算分别分析了两种情况下地基的温度场和位移场分布规律，并进行了对比分析研究。研究结果表明：在气候变暖背景下，条形基础地温随时间呈递增趋势，从而导致地下冰持续融化，降低了地基的热稳定性。室内采暖对其下地层温度的影响非常显著，使地层全年处于吸热状态，导致土体的含冰量持续减少，从而降低地基承载力，最终引起地基的不均匀沉降，进而使其结构产生开裂。采暖场景下建筑物采用条形保温基础可以有效的延缓多年冻土融化，如第40年室内无保温板时最大沉降量为388mm，设有保温板时最大沉降量为253mm，减小了约34.5%。由此可知，在多年冻土区加强在建筑物基础下采取保温隔热措施，保护冻土的稳定性对建筑物的使用寿命尤为重要。

在多年岛状冻土区,公路的走向会使路基两侧坡面及其下伏土层的地温环境存在较大差异,从而导致路基结构发生不均匀热变形,继而引发纵向开裂、热融沉等严重的路基病害,直接威胁行车安全。掌握该类路基坡向性差异特征是提高公路设计质量,改善路基热稳定性的前提,因此,以实际工程为载体,采用有限元数值模拟方法,通过在路基两侧坡面施加差异性热流密度,对高纬高寒地区多年岛状冻土路基的坡向性热效应展开研究,研究结果表明:路基热稳定性会随着坡面热差异的增大而发生不均衡性变化,依据差异性热流密度条件下的路基位移场热响应情况,揭示了多年岛状冻土路基在不同状态下的坡向性热变形特征及可能诱发的路基病害。

随着地下工程的发展,人工冻结法已成为地下工程建设中常用的技术。关于人工冻土在冻结过程中温度场的发展规律以及冻结过程中因为冻胀产生的对周边环境的影响有待于进一步深入的研究。通过室内试验得出了热物理参数随温度场的变化规律,结合天津地铁某联络通道的人工冻土工程,提出并建立了人工冻结过程中考虑热物理参数随温度变化的热–力耦合的数值计算方法,利用该方法计算分析了人工冻结过程中土体的温度场和位移场的发展规律,通过与实测数据对比,证明了该方法的可行性,成果可以指导人工冻土工程的设计与施工。

针对季节性冻土区高速铁路路基冻胀的最大变形量应小于5mm的严格要求,开展季节性冻土区高速铁路路基冻深的研究。在综合分析国内外相关冻深求解方法的基础上,提出采用改进的Berggren法计算高速铁路路基设计冻深的公式。该公式考虑了路基的热力特性、气象条件以及地基条件,适用于特性各异的多层土路基。运用现场监测和基于比奥固结理论的有限元仿真分析方法及改进Berggren法,对某典型冻土区段高速铁路的路基冻胀及温度场和位移场进行测量、计算和分析,结果表明:路基冻深的发展历经较浅且小幅波动、向下快速发展且达到最大、逐渐减小和浅层小幅波动等阶段;路基冻胀变形主要发生在冻深的70%范围内;该典型冻土区段最大冻深的有限元仿真计算值为1.98m,改进的Berggren法计算值为1.94m,与实际监测值1.90m的计算误差分别仅为4.2%和2.4%,表明有限元仿真分析方法和改进的Berggren法均为确定路基冻深的有效手段。

退化性岛状冻土连续性差,退融速率快,冻土路基病害较为严重。掌握该类路基随地温变化的变形规律,就可从根本上解决其热稳定性问题。为此,建立了该类冻土路基位移场的理论分析模型和有限元模型,并以实际工程为依托,通过对工后1 a内路基地温场、位移场的数值模拟及实测分析,提出了退化性岛状冻土路基位移场的周期性地温响应规律及"热缩"效应。研究结果表明:在一个周期内,该类冻土路基位移场的地温响应过程可分为冻胀、压缩及融沉3个阶段。其中冻胀与压缩阶段,地温变化对路基热稳定性影响较小,而融沉阶段产生的融沉位移对路基稳定性影响较大,且较地温变化有一定的滞后时间,当地温环境由升温状态向降温状态转变时发生,在此期间应加强对路基冻土的保护和监测。

为揭示人工冻土解冻对地层位移场影响的规律,以某地铁区间隧道盾构出洞水平冻结工程为例,对由人工冻土融沉引起的地层位移进行了三维有限元分析。计算结果表明:地表沉降可分为缓慢沉降、快速沉降、平稳沉降和固结沉降4个阶段;在隧道中轴线上方,随着与出洞口距离的增大,地表沉降先增大后减小;地面沉降在横断面上的分布呈近似正态分布曲线,随着与中轴线水平距离的增加,地表沉降逐渐减小,存在明显的曲线反弯点;地面水平位移随距隧道中轴线距离的增加,先增大后减小,最大水平位移对应于地面沉降分布曲线反弯点对应的位置;隧道上方由融沉引起的土体沉降随深度的增加而增加,距离冻结区域越远,土体沉降越小。