为揭示冻土温度、流变特性对桩基承载性能的作用效应，进行温度、流变响应试验分析，采用自行设计的大型冻土桩基承载性能试验装置，开展了不同地温、不同加载过程下桩基承载特性模型试验，分析了轴力与侧摩阻力的温度、流变响应。结果表明：地基温度对桩基刚度具有显著影响，温度较高(约-3℃)时，刚度仅为温度较低(约-6℃)时的1/10。其次，温度较低时，轴力沿深度迅速衰减，侧摩阻力呈上大下小，桩体上部(约1/3)主要承载；温度较高时，轴力分布平缓，深部侧摩阻力发挥程度相应提高。再者，流变效应对侧摩阻力的发展、变化存在显著影响，持荷阶段流变导致的侧摩阻力降低逾200 kPa。此外，流变效应亦受地基温度及荷载水平的影响：地温较高时，流变导致的侧摩阻力松弛近乎初值的50%;荷载水平升高时，流变效应呈现先增大后减小的趋势。冻土地基中桩基础承载性能具有显著的温度、流变响应，实际工程设计、运维必须予以考虑，研究结果可为工程实践提供理论支撑。

为解决在高原冻土层实施钻井勘探中出现井壁失稳坍塌及钻井液对储层侵害等问题，以氯化钠为抗冻剂、硅酸钠为成膜剂采用正交实验法进行室内实验，最终在多组钻井液配方中优选出两组抗低温成膜剂钻井液配方。在-5℃下使用的配方Z1（清水+15%NaCl+2.5%Na膨润土+1.5%Na-HPAN+0.3%XG+2%硅酸钠）,在-10℃下使用的配方Z2（清水+20%NaCl+3.0%Na膨润土+1.5%Na-HPAN+0.4%XG+1.5%硅酸钠）。其主要性能指标是：AV值12.0,16.5 mPa·s;PV值9.0,13.0 mPa·s;YP值3.1,3.6 Pa;FLAPI值6.5 mL/30 min, 6.3 mL/30 min。经对两组钻井液的流变参数测定及滤饼质量观测，两组配方均具有较好的流变性能并能形成致密有韧性的半透膜，故两组钻井液配方都满足在高原冻土层钻井勘探的使用要求。

冻土作为一种强流变土工材料，其强度衰减特性是路基工程、桩基工程和人工冻结法施工中病害或失稳的重要诱因，但一直以来缺乏对复杂应力状态下冻土强度包络面衰减特性的实验和理论研究。基于不同围压下冻结路基土强度点处的应力松弛试验，研究了复杂应力状态对冻土强度衰减过程的影响规律，试验确定了p-q应力空间内冻结路基土强度包络面的率相关变化特征，揭示了复杂应力状态下黏聚力和内摩擦角在应力松弛过程中的衰减、退化规律及其机理，最后建立了考虑应力松弛效应的冻土率相关强度理论。

以多年冻土为主要下垫面的寒区流域水资源对气候变化敏感,以长江源区为例,根据数字滤波法对直门达水文站1966-2015年月径流的基流分析结果,明确了长江源区径流及其不同成分的变化规律;进一步利用格兰杰因果检验和累积斜率法分别定性和定量地分析了降水和温度对径流组成的影响。结果表明:近50年来,长江源区总径流呈现增加趋势,2004年发生突变后年平均径流量增长36.49亿m3,基流和地表径流各贡献了50%;近50年持续地增温是引起径流变化的格兰杰原因,更有助于对河道径流成分变化的预测分析;对比径流突变前后,增温不仅改变降水形式,影响了地表产流,同时也改变了下渗后土壤水的冻融过程,对基流和地表径流改变的贡献率分别为90%和76%、高于降水变化68%和57%的贡献率。气候变化背景下,持续的增温对降水产流和下渗过程的影响,是多年冻土区流域径流成分变化的主要原因。

青藏铁路现行的稳定冻土地基的措施多为间接的、地上的、被动的和局部的举措。本文在综合利用新能源、新材料和新结构的基础上,提出了新型青藏铁路冻土地基加固装置的设计方案,并从理论上分析了该设计方案实施的可行性。

为研究冻土在不同温度下的弹性模量退化与动力特佂,通过对不同负温条件下冻土试样进行循环加、卸载试验,获得其在动荷载作用下的应力-应变滞回曲线与疲劳损伤寿命。按照疲劳寿命与应力幅之间的关系确定了冻土在不同温度下的疲劳损伤参数。根据冻土的弹性模量退化规律提出了动弹模衰减控制方程并建立了冻土唯象疲劳损伤模型。根据冻土实测的循环加卸载滞回曲线特征,提出了理想和非理想滞回圈情况下阻尼比联合分析方法;基于Kelvin模型建立了滞回圈演化规律与弹性模量退化及加载时间的数学联系。研究发现:考虑了动弹模衰减影响的唯象疲劳损伤模型描述了冻土的加速疲劳损伤特征;理想滞回与非理想滞回阻尼比联合分析方法考虑滞回圈的实际演化特征;基于弹性模量退化的Kelvin流变模型建立了滞回圈曲线与加、卸载时间的数学联系。

为了研究冻土区桩底水对桩基稳定性的影响,制作混凝土模型桩及桩底水热效应装置并采用对比试验方法对模型桩顶逐级加载开展桩底水热效应对冻土桩–土流变特性影响的模型试验研究,得出桩身切向冻结应力传递函数曲线及桩端阻力传递函数曲线,分析不同荷载等级下桩底水对桩土相对位移及桩端阻力,桩–土流变特性,荷载传递特性,桩基承载特性的影响。结果表明:桩底水的作用减弱了冻土桩侧冻结强度及桩端地基土的抗力,造成桩土相对位移过大,加大了桩–冻土的流变效应,影响了桩侧冻结力和端阻力承担荷载的比例而使得桩基过分依靠桩侧切向冻结力来承受荷载且上述作用随着荷载的增大而增大,造成桩基承载力严重下降。

陆域天然气水合物(以下简称水合物)主要赋存于高原冻土区,为保证顺利钻探,要求钻井液既能够有效抑制水合物分解、维持其相态平衡,又能在低温环境下具有良好的流变性能。为此,以新研制的低失水抗低温聚合物钻井液配方为研究对象,对其在低温条件下的流变性能进行了测试,并利用回归分析法和最小二乘法对试验数据进行计算与分析。结果表明:①赫谢尔—巴尔克莱模式是描述该钻井液体系低温流变性能的最佳模式;②应用该模式计算得到了低温条件下钻井液流变性能参数,其变化规律表现出随着温度降低,钻井液动切力呈近似波动变化,钻井液的稠度系数和流性指数均大致呈线性增长的趋势,但增长幅度较小。结论认为:所建立的钻井液表观黏度低温响应数学模型拟合精度高,可准确预测井内钻井液在低温下的流变性能。

为明确冻土地区混凝土桩基在循环荷载作用下桩土流变效应对桩端位移、桩端阻力以及桩侧冻结应力的影响,利用在冻土中的混凝土模型桩顶端施加正弦波循环荷载的方法,包括改变循环荷载大小、加载频率和冻土温度,开展了循环荷载下桩土流变效应的研究。结果表明:循环荷载大小、荷载频率及冻土温度是影响混凝土单桩-冻土流变效应的主要因素;冻土流变效应的存在,致使桩侧冻结应力随时间推移而降低,而桩端阻力逐渐变大;荷载频率增大,桩侧冻结应力也随之变大,而趋于稳定的时间较短;温度升高,桩端位移就越大,桩侧冻结应力越小,其趋于稳定所需时间也较长;对于多年冻土区桩基础,在设计及运营中应尽量保持及降低冻土的负温,降低荷载频率。

结合多年现场工程"冻害"治理的研究心得,借鉴国内外冻土研究经验提出冰体各向异性分析模型,以解释冰的各向异性机理;诠释工程冰冻间隙现象并提出摩擦热思想。分析冻土在荷载作用下的应变状态和流变特征。综合以上因素探究冻土强度和变形不稳定性的成因。