利用SHPB装置对冻土在-6℃和-16℃时进行有无主动围压的动态冲击试验，对比分析了两种状态下的冻黏质土的应力-应变曲线及其强度和破坏形式。结果表明，无围压作用下冻土的应力-应变曲线比主动围压作用下的应力-应变曲线多了黏性阶段；主动围压对冻黏质土动态抗压强度提高作用大于无围压，两种状态下的冻土都有应变率效应和温度效应；无围压作用下的冻土破坏呈脆性破坏。

为解决高原冻土挖掘问题,设计一种冻土施工用挖掘装置,以解决传统冻土开挖作业存在的问题。该装置铲斗斗齿在与作业介质冻土相接触的同时,通过主控电路打开超声换能器,释放出超声波。超声换能器向挖掘切面前方定向发出频率在50 kHz～80 kHz的振动声波,振动能量不断被冻土层吸收转化为热量而使挖掘层面的温度升高,层面内的结晶水融化为液态水,使层面处的土壤抗剪强度显著降低,再结合空化作用降低层面挖掘阻力,从而提升作业效率,避免升温挖掘引发环境与安全问题。结果表明:采用本装置作业时土壤热融层面小,不会造成热融坍塌,且超声振动与机械挖掘同时进行,效率高,施工成本低。

基于季节性冻土区路基冻胀特征及供热需求分析,设计1款采用太阳能主动供热的路基专用供热装置。通过模型试验分析装置供热温度、供热量、供热效率随太阳辐照量的变化规律,建立考虑纬度和日序数的供热温度预测公式。通过对路基长期供热效果的数值模拟分析,研究装置防冻胀效果。结果表明:路基专用供热装置供热温度随太阳辐照量的提高而增大,最高达60℃,平均范围在20～40℃,太阳能有效热利用率约为26%;供热温度与太阳辐照量呈3次多项式函数关系,供热温度计算式可预测装置应用于不同地区时的逐日平均供热温度;该装置在季节性冻土区对路基起到暖季预储热量和冬季实时补充热量的作用,可有效提高入冬时路基的抗冻胀能力,降低冻胀程度。

为厘清季冻土区临水内、外拱护墙结构冻胀平位移冻害机理,测试隔离层防冻害装置的有效性,在20101110—20110531、20131110—20140531、20171110—20180531三个观测年内,以长春某湖泊临水内、外拱护墙结构为研究对象,选择内、外拱护墙结构和设隔离层防冻害装置的试验内拱护墙结构三者相对比,用钢尺量距法观测三者寒期的平位移状态。结果表明:内拱护墙结构出现倾斜、裂缝导致的内向冻胀平位移冻害,其内向平位移曲线随气温均呈"半驼峰型",对应观测年持续降温—持续低温—持续升温—正温时段,内向冻胀平位移呈减小—增大—减小—稳定残余的位移运动,诱因是平冻胀应力的生成—增长—减弱—消失作用;外拱护墙结构出现较小的外向冻胀平位移,外向冻胀平位移曲线均呈"波浪型",无冻害发生,冰凸拱平冻胀应力推动外拱护墙结构压缩冻土凹拱形成外向冻胀平位移,冻土凹拱限制了外向冻胀平位移发展;设隔离层防冻害装置的试验内拱护墙结构未发生平位移冻害,其内向冻胀平位移较自然冻胀的内拱护墙结构减小83.92%,较外拱护墙结构减小51.74%,表明隔离层防冻害装置防治冻胀平位移冻害有效。

提出了降低季节性冻土地区接地电阻的方法,该方法结合多年来所积累的工程经验和参考资料,并在不同季节性冻土地区设置方式的仿真计算和实例分析的基础上完成。降低季节性冻土地区接地电阻可以适当地加长垂直接地极的长度,使得垂直接地极至少深入到土壤电阻率较低的土壤层中2～3 m,对以后的工程设计工作有一定的指导作用。

为探索季冻土区临水轻台结构冻拔冻害破坏机理,测试套筒防冻拔冻害技术的有效性,以长春某临水轻台群为研究对象,选择基土自然冻胀轻台结构与装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构相对比,用精密水准仪观测二者的寒期竖向位移动态。结果表明:基土自然冻胀轻台结构出现了冻拔位移冻害,各观测年冻拔位移曲线随气温均呈"半驼峰型"姿态发展,对应观测年的持续降温—持续低温—持续升温—正温时段,冻拔位移呈下降—上升—下降—稳定的变化特征;冻土的冻拔力推动轻台桩上拔引发冻拔位移冻害。观测装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构发现,其竖向位移长期在±5 mm的小位移区间平位波动,比自然冻拔轻台结构的平均冻拔位移减小了98%,表明套筒装置隔离了冻拔力对轻台结构的冻拔作用,冻拔位移冻害被有效遏制。勘验装有套筒防冻拔冻害装置的试验轻台结构,未发生"错动""台板拉裂"等典型冻拔位移冻害,印证了套筒防冻害装置对防治轻台结构冻拔位移冻害有实效。

针对我国多年冻土区交通工程普遍面临的冻土退化和路基融沉问题,基于新能源制冷技术,开发路基专用主动型制冷装置,实现在暖季实时控制路基热量收支平衡。根据冻土退化防治技术要求,结合多年冻土区新能源分布条件,并对比制冷方法,采用太阳能光伏驱动压缩式制冷技术进行制冷。针对冻土退化的大深度和分散性特征,制作用于路基工程的由压缩机、冷凝器、蒸发器、毛细管组成的压缩式制冷管,其中蒸发器型式为立式柱状的螺旋形铜管。应用该主动型压缩式制冷装置的制冷试验结果表明:在0～5℃正温环境下,装置蒸发器制冷温度整体呈先降低、后稳定的规律,在竖直方向由上至下逐渐降低,平均值可达-20℃,且不受环境温度影响;在制冷作用下试验箱土体温度逐渐降低,降温幅度随着与蒸发器距离的增大而减小,装置起到有利的"冷源"作用。可见,主动型压缩式制冷装置具有季节匹配性好和制冷温度低的技术优势。

冻土的有效孔隙度直接影响了土体的渗透性,寒区占我国国土面积比例较大,由于寒区特殊的低温环境,使得在寒区开展非饱和冻土有效孔隙度研究的过程中,比较倚重于试验基础。本文主要对有关冻土的水理性质进行研究,尤其是有关非饱和冻土有效孔隙度测定试验的研究进展进行整理。分析得出非饱和冻土有效孔隙度测定试验的试验装置有待改进,试验条件有待完善。

多年冻土区路基防护技术是冻土科研人员长期研究的重点,普通重力式热管作为主动防护技术之一,在青藏铁路、青藏公路的路基病害防治中起到了重要作用。本文基于多年冻土区现场试验,对研发的新型直埋式制冷装置与普通重力式热管的制冷效果进行对比分析。结果表明:直埋式制冷装置可以弥补普通重力式热管在暖季不能工作的缺陷,能在暖季和寒季同时带走活动层中的热量,增加冷储量,有效保护多年冻土。在活动层中,直埋式制冷装置比普通重力式热管的侧壁月均地温在寒季和暖季分别低0.68℃、0.19℃;在多年冻土层中在暖季低0.23℃。分别在暖季和寒季,直埋式制冷装置的积温是普通重力式热管积温的1.3倍和1.2倍。直埋式制冷装置比普通重力式热管对活动层的制冷效果更优。

针对适用于低温环境下的配合医用CT实时扫描的冻土三轴仪的不足,研制了新的冻土三轴仪,介绍了其组成及其研发过程中需要克服的技术难点。利用该装置可以完成低温环境下试样的三轴加卸载试验,配合医用CT机时可实现整个力学过程的实时动态扫描。进行了冻结兰州黄土三轴加载实时CT扫描试验,试验结果表明,新研制仪器的各项参数均能满足冻土试样在三轴压缩和卸载过程中的实时CT扫描条件,也能够得到的不同载荷条件下的高质量细观结构CT图像,文中对试验结果进行了分析和讨论。该装置的成功研制为建立细观结构和宏观力学性质之间的联系提供一种新的技术手段。