块石路基作为解决青藏高原多年冻土冻胀融沉病害的关键技术而得到广泛应用。近年来青藏高原呈现湿化显著的趋势，夏季降雨携带的部分热量会快速入渗到块石层，从而影响块石路基的传热特性和水热状态，有必要开展降雨条件下块石路基热力学特性研究。基于室内试验，开展了不同降雨量、不同厚度下封闭块石层水热响应规律研究。结果表明：(1)在降雨条件下封闭块石层自然对流的发生与降雨量大小和块石层厚度有关。随降雨量增加，1.4 m厚度的块石层自然对流瑞利数最大值逐渐降低。当降雨量达到23 mm时，块石层不发生自然对流；而0.6 m厚度的块石层自然对流瑞利数最大值则随降雨量增加而逐渐增大，自然对流增强。(2)在降雨入渗作用下，1.4 m厚度的块石层内部与基底土层有升温效应，而0.6 m厚度的块石层基底土层有降温效应。与未来50年青藏高原预测升温速率每年0.052℃相比，降雨入渗对前者下伏土层的升温效应更为显著。(3)暖季的降雨入渗在短时间内会显著影响基底浅层土的体积含水量。随着降雨量的增加，体积含水量峰值有一定抬升，但每循环周期的峰值大小差异不大。主要是因为在经过冷季低温冻结后，块石体与土层之间的部分空隙被凝结冰填充...

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。

以青藏铁路五道梁片石路基为研究实例,分析了片石层的工作原理,并与一般路基不同位置处的地温进行了比较,认为片石路基有利于保护冻土地温.在考虑空气对流作用的前提下,对五道梁片石路基进行了地温预测,结果表明,在预测前30年还能有效地保护冻土,而50年后其人为上限出现下凹形态.

为了研究碎石层保护冻土地区路基的效果,将碎石路基视为多孔介质,从多孔介质对流理论出发,用Bear J摄动法推导了自然对流的发生条件,总结和分析了冷却地基研究成果,就青藏地区的冻土和气候条件,讨论了碎石路基的铺设厚度和粒径,计算厚度为0.96米,并指出了所亟待解决的问题.

块石护坡调温路基是多年冻土区铁路设计中所采取的一种积极保护冻土的措施,该调温过程包括暖季的热屏蔽作用和冷季的对流降温两个方面。根据现场观测资料,对两种不同粒径的块石层下地温热状况给予了初步分析。结果表明,暖季小块石层(粒径为50～80mm)的热屏蔽作用要优于大块石层(粒径为400～500mm),而冷季大块石层的对流降温作用要强于小块石层;综合一个暖冷季循环周期来看,大块石层的调温效果要好于小块石层。块石护坡路基下0℃等温线大部分已基本接近原天然地表。初步认为,此种发展趋势有利于路基的稳定。

针对多年冻土地区桩基普遍存在的冻胀和热扩散问题,基于“主动冷却”地基的思想,结合碎石路基、碎石堆等大孔隙多孔介质在气温波动条件下具有的热二极管的效应,提出了一种用于冻土地区的新型桩;在冻融活动层深度范围的桩身表面刻制凹槽,利用槽内回填的碎石、块石等大孔隙多孔介质在外界大气温度自然波动下的对流换热机制,来达到主动冷却冻土和抬升冻土上限的目的;对其冷却机理及可行性进行了研究,运用数值仿真试验对比了桩身刻槽前后的温度场。结果表明,新型桩促进了冻土的发育,回冻时间大为缩短,冻土上限抬升。