为研究冻融循环下纤维改良粉砂土路基的含水率、干密度、纤维掺量对土体热物理学特性的影响规律，通过开展室内导热系数测试试验，测得不同含水率、干密度、纤维掺量改良粉砂土的导热系数，分析不同因素对改良粉砂土导热系数的影响。结果表明，在干密度、纤维掺量以及冻融次数相同的情况下，改良路基土的导热系数随含水率的增大呈非线性增长，且当含水率超过12%时，增长速率减小，试验范围内导热系数为0.39～1.32 W/（m·K）;在含水率、纤维掺量以及冻融次数相同的情况下，改良路基土的导热系数随干密度的增大呈指数增长，且当干密度超过1.9 g/cm3时，增长速率减小，试验范围内导热系数为0.45～1.87 W/（m·K）;在含水率、干密度以及冻融次数相同的情况下，改良路基土的导热系数随纤维掺量的增大线性减小，试验范围内导热系数为0.59～1.3 W/（m·K）;在含水率、干密度以及纤维掺量相同的情况下，改良路基土的导热系数随冻融循环次数的增大线性减小，试验范围内导热系数在0.48～1.01 W/（m·K）。研究成果可为西部粉砂土分布地区工程建设提供参考。

为研究粉质黏土含盐量和初始含水率对热物理特性的影响规律，通过开展室内温度试验测得不同含盐量和含水率粉质黏土的冻结温度和导热系数，分析了不同因素对含盐粉质黏土冻结温度和导热系数的影响。结果表明：NaCl含盐粉质黏土冻结温度及过冷温度随含盐量增加均呈线性降低，而Na2SO4含盐粉质黏土均先降低后略增加，两种含盐粉质黏土导热系数均随含盐量的增加而减小；冻结温度及导热系数均与初始含水率成正相关关系，低于饱和含水率时含水率对冻结温度的影响占主导作用，超过时含盐量成为主要影响因素，且随着含水率增加两种含盐土导热系数增加速率均变缓。同时给出了不同条件下冻结温度和导热系数的经验公式，将水-盐-温度变量与冻结温度和导热系数建立起联系，为含盐土壤分布地区工程建设提供参考。

为预测非饱和冻土的导热性能，基于土体微观结构，提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法，并将该算法与传统有限单元法组合，建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像，采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率；改进传统的四参数随机增长法，提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法；基于生成的非饱和冻土模型，通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数，并与规范中冻土导热系数进行对比，验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。

为深入研究地铁浅埋人工冻土的冻胀特性,以江苏某项目部地铁隧道盾构法施工土样为研究对象,进行人工冻结试验,包括常规土工试验、导热系数试验、三轴剪切强度试验和冻胀试验.数据分析表明:冻结情况下,砂质黏土和钙质黏土的导热系数增大、抗剪强度随围压的增加而增大,两种黏土类型的冻胀率与冻胀力随时间的变化相似,呈非线性增长,可分为强增期、弱增期和稳定期.对冻胀率和冻胀力随时间的变化规律采用2种指数模型进行曲线拟合,拟合精度均在0.98以上.

中俄原油管道穿越多年冻土带,由于管沟土的导热性差异,导致管道沿线冻土融沉变形问题严重。选取中俄原油管道沿线砾砂、粉土、粉质黏土、黏土及泥炭质土5种典型地基土进行导热系数测试,以掌握导热系数随影响因素的变化规律。测定5种地基土的导热系数,分析导热系数与含水率、干密度之间的关系,并建立回归方程;根据不同土质条件,分析导热系数随含泥量、塑性指数、烧失量的变化规律;采用灰色关联分析模型计算各影响因素与每种地基土导热系数的关联度。结果表明:5种地基土的导热系数随含水率、干密度的变化而变化;土质条件对导热系数的影响非常大;不同因素对导热性质的影响程度不同。提出了针对不同类型地基土的冻害防治措施,以便为多年冻土区在役或拟建油气管道的冻害防治提供参考。(图6,表4,参22)

本文依据东北多年冻土区冻土试验,以正规状态法测定冻土样的导热系数,稳态法测定融土样的导热系数,通过二元线性回归分析。试验结果表明:导热系数随着含水量和干密度的增加而增加,液限和塑限是粉质黏土的导热性能突变界限,小于塑限的土体导热性能不受含水量影响,大于液限土体的导热系数趋近一个定值,粉质黏土的导热系数小于粗颗粒的导热系数,粉质黏土的黏土掺量和细砾石掺量可明显提高其导热系数。

为分析不同测试方法对青藏工程走廊带内多年冻土导热系数测试结果的影响规律,指导冻土工程的热工设计和为走廊带内冻土导热系数的测试方法选择提供依据,搭建了稳态对比法、稳态热流计法、瞬态平面热源法和瞬态热线法冻(融)土导热系数试验测试平台,运用理论模型对稳态对比法测试过程中径向漏热量进行了估算,分别从测试结果准确性、适用土性类别和适用场合等方面对各类测试方法进行了对比。结果表明:稳态对比法试验结果与文献理论值相差较大,测试过程中径向漏热量无法忽略;稳态热流计法和瞬态平面热源法的测试结果与理论计算值具有较好的一致性,80%以上的测量值与理论值相对误差小于±15%;瞬态热线法测试结果整体偏小,冻、融土平均偏小17.75%和15.03%.考虑到瞬态平面热源法测试结果准确,测试时间短,样品需求量小,因而是一种合适的青藏工程走廊带冻(融)土导热系数大规模测试方法。

为分析冻融过程、道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响,对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、温度、水分原位监测。结果表明:融化期导热系数波动均明显大于冻结期,天然场地导热系数在冻结期大于融化期,而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期,与通常的认知和温度场模拟取值相反;道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体,冻结期路基土体导热系数有减小趋势,道砟覆盖路基土体尤为显著;降雨入渗增大土体导热系数,低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时,应考虑水热变化对导热系数的影响,不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。

依托吉舒高速公路工程,通过重复加载动态回弹模量试验、承载比试验和导热性试验,研究分析了粉质黏土在不同木质素掺配比例、养生时间及冻融循环条件下的力学性质。试验结果表明:随着木质素掺量的增加,木质素改良粉质黏土的回弹模量减小;冻融循环作用下木质素改良粉质黏土的回弹模量及CBR减小幅度较小,导热系数随着木质素掺量增加而减小。木质素掺入路基土,提高了其抗冻性,降低了导热性,推荐季冻区粉质黏土路基最佳木质素掺量为4%。

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.