为研究季节性冻土在冻结过程中各物理场间的耦合作用机制，在封闭条件下开展了直径10 cm、高25 cm土柱单向冻结试验，并结合COMSOL Multiphysics数值模拟软件，模拟了温度场、水分场、位移场及应力场随冻结时间的变化规律。结果表明：在试验初期的前7 h,土柱温度下降速度较快，且距离冷源越近，温度下降得越快，降温的幅度也越大；冻结至30 h,距土柱顶层2～4 cm的范围内富含有大量冰晶体，该区域土体的冻胀量与应力最为集中，土柱最大冻胀量达到约2.62 mm,且冻胀变形量趋于一种稳定状态。

铁路路桥过渡段是整个线路中至关重要部分，也是相对薄弱部位，高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段填土冻胀引起墩台梁体变形变位，对线路平顺性造成了很大影响。针对高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀问题，基于热力耦合理论，采用ABAQUS软件建立铁路路桥过渡段数值模型，分析过渡段温度场与填土冻胀发展变化规律，探讨由桥台后填土冻胀引起的桥梁-桥台-填土相互作用。结果表明：材料热力学特性与桥台温度边界是影响温度场平衡过程与分布规律的主要因素，且距桥台距离增加，影响逐渐减弱；过渡段土体地温具有正弦分布、相位滞后与振幅衰减规律；随着填土水平冻胀变形发展，桥台会逐渐发生侧移和倾斜，进而导致桥梁与桥台顶紧，影响桥梁结构安全。

为克服现有Winkler模型未考虑渠基冻土连续性的不足，引入Pasternak剪切层描述独立土弹簧间的相互作用，进而提出Pasternak冻土地基上梯形渠道冻胀力学分析方法。对基土均匀冻胀且无顶盖板约束的梯形渠道导出接触面法向应力、衬砌板冻胀位移及截面内力分布的解析式。以甘肃省某梯形渠道为例，应用本文模型和Winkler模型计算各衬砌板冻胀位移分布及接触面法向应力分布，并结合观测值进行了对比。结果表明：本文模型计算结果与观测值符合良好，且相比Winkler模型计算结果更接近观测值，能更加准确地反映衬砌冻胀位移分布规律，表明模型合理性。该模型能较好地体现法向冻胀力随衬砌冻胀变形的释放与衰减；法向冻胀力作用于坡板中下部且呈非线性、差异分布；中上部有脱开、翘起趋势而受法向冻结力作用；底板则只受法向冻胀力作用。研究结果可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。

季节性冻土区高速铁路采用混凝土基床控制路基冻胀变形，已取得了良好效果，但在季节性冻土区气候环境下还存在翘曲变形问题。结合工程实例，以混凝土基床路基为研究对象，开展混凝土基床变形控制试验研。结果表明：聚氨酯板具有减小混凝土基床冻结深度，抑制冻胀量的作用，其厚度越大防冻胀效果越好，但增加气凝胶保温毡厚度，不能明显减小混凝土基床的冻结深度和缩短冻结周期。

多年冻土路基水热特征与冻胀变形变化规律的研究对于寒区道路冻害成因分析、道路工程设计及冻害治理等方面具有重要意义。本文以青藏公路某典型冻害地段为研究对象，应用含相变冻土路基的水热耦合与冻胀变形理论模型，对周期边界条件下路基初始含水率对多年冻土路基水热特征及冻胀变形的影响规律进行了计算分析。结果表明：在季节性气候变化的条件下，随着路基初始含水量的增加，路基和坡脚位置的多年冻土上界面逐渐上升，路基边界处的冰含量逐渐增加。当路基初始含水率由12%增加到36%时，4月份的路基中心和路肩处冻胀变形量依次增加了17.4mm和20.6mm。此外，路基内初始含水率的变化对路基各边界表面位置冻胀变形的影响程度由大到小依次为路基路肩、路基中心、路基坡脚和天然地表。

为探明季节性冻土区模袋混凝土衬砌渠道冻胀特征,提出模袋混凝土渠道防冻胀技术,在内蒙古河套灌区模袋混凝土渠道开展了聚苯乙烯板防冻胀试验研究。通过原型渠道冻胀试验得出:在8 cm模袋混凝土基础上分别增加4 cm和7 cm模袋混凝土后,阴坡下部1/3处最大冻胀量削减率分别为17.32%和39.55%,阳坡下部1/3处最大冻胀量削减率分别为17.23%和41.23%;在8 cm模袋混凝土基础上分别铺设4 cm和12 cm聚苯乙烯板后,阴坡、阳坡下部1/3处最大冻胀量削减率分别为51.7%、89.5%和48.7%、90.5%。8 cm模袋混凝土条件下铺设12 cm聚苯乙烯板处理和15 cm模袋混凝土条件下铺设6 cm聚苯乙烯板处理均无残余变形,其他处理均出现不同程度的残余变形(0.2～1.8 cm)。渠道边坡下部1/3处的冻胀量最大,渠坡上部1/3处的冻胀量最小。

文中分析了我国季节冻土区高铁路基冻胀机理及规律,现有高铁路基冻胀危害以及防冻害措施,并提出未来研究面临的主要问题。

季节冻土区路基的冻胀变形影响高速列车的运行速度、行车安全。以普通级配碎石路基结构为原型,建立轨下基础热-力耦合模型和路基结构外力作用模型,通过温度场和变形场的现场监测数据、力学特性计算的文献资料验证了模型的可靠性。在此基础上建立水泥稳定碎石路基、保温强化层+级配碎石路基、保温强化层+水泥稳定碎石路基3种防冻胀路基模型,计算冻胀变形和受力特性。结果表明:保温强化层和水泥稳定碎石填料均有效减小了路基的冻胀变形,其中保温强化层+水泥稳定碎石路基的冻结深度和最大冻胀量最小,分别为0.8 m、1.585 mm;保温强化层可减小基床表层竖向应力,且弹性模量较大的水泥稳定碎石可加速竖向应力的衰减,使得基床底层承受应力减小。保温强化层+水泥稳定碎石基床表层结构可为季节冻土区高速铁路路基结构的选型提供参考。

沈丹客专穿越我国东北地区季节性冻土区,为减小路基冻胀和融沉造成的不均匀变形,设计时采用了换填路基材料、改善基床结构、设置防冻胀层、加强地表水与地下水排泄等路基防冻胀措施。通过对沈丹客专三个完整冻融周期(2012～2015年)人工观测和自动监测数据的综合分析,研究路基冻胀变形发生、发展和变化的规律。结果表明:沈丹客专路基冻胀变形的发展变化过程可划分为冻胀初始波动、冻胀快速发展、低速稳定持续发展、融沉波动、融沉稳定5个发展阶段。宜在建设期补强防冻胀设计,以更好地控制路基冻胀。

针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。