新型框架通风锚杆是自主研发的一种冻土边坡柔性支挡结构，具有广阔的应用前景。为了探究新型框架通风锚杆的降温效果及力学效应，设计了能够加载、变角度且可同时测得温度、水分、风速及内力的多功能冻土实验箱，并搭建了新型框架通风锚杆支护多年冻土边坡的室内试验，得到了不同时期内边坡温度、水分、风速及支挡结构内力变化规律。试验结果表明：越靠近通风锚杆，土体温度和水分变化越明显，新型通风锚杆能吸收冷量并沿轴向和径向传递和扩散，具有良好的降温效果，并保持冻土边坡的冻结状态。新型通风锚杆内风速变化规律与外界风速变化较为一致，外界风速越大，新型框架通风锚杆降温效果越明显。不同时期内，新型锚杆轴力呈抛物线型变化，冻结期轴力大于融化期，且冻结期框架内力是融化期的2～3倍。研究结果可为新型框架通风锚杆的设计和工程应用提供指导。

考虑到宽幅路基的“聚热效应”和复杂的多年冻土环境，拟建青藏高速公路建设所面临的关键问题是如何保证路基的长期热稳定性。基于现场监测数据和传热传质理论，建立分离式通风管路基三维数值模型，分析与预测未来50年通风管在青藏高速公路分离式路基中的工程效果。结果表明：分离式通风管路基具有较好的降温效果，能够保证路基及其下部多年冻土的长期热稳定性。但是，当隔离带宽度小于10m时，后幅路基管道内部风流变化特征受到隔离带宽度的显著影响，导致其对下部多年冻土的降温效果弱于前幅路基。此外，在隔离带较窄情况下，两幅路基之间隔离带区域存在局地增温效应，将对路基及其下部多年冻土产生严重的热扰动，不仅引起多年冻土上限下降、温度升高，而且增加了路基两侧下部土体温度场的不对称性。尝试将两幅路基通风管连通来弱化局地增温效应，但连通后路基及隔离带区域下部土体的热状况反而更差，说明这种方法未能有效解决局地增温效应的热影响。

为了分析片块石路基的尺度效应问题,通过数值手段,计算相同条件下窄幅和宽幅路基的片块石层对流强度和冻土地温。研究结果表明:相比于窄幅路基,宽幅片块石路基的最大对流风速降低了34%,冻土上限下降了1.08 m,冻土年平均地温升高了0.90℃。因此,对片块石路基的尺度效应问题不容忽视,表现在工程应用上,不能简单地将片块石路基直接应用于多年冻土区高速公路宽幅路基,应采取结构优化设计,或与其他结构组成复合路基结构。

为保护青藏高原多年冻土区宽幅路基或高等级路基中心下冻土热稳定性,提出了利用路基中间隔离带安装热管的措施.根据青藏高原多年冻土区宽幅路基或高等级公路实际的气温和地质条件,对近20年的数据进行了模拟分析.结果表明:在年平均气温为-4.0℃的青藏高原多年冻土区,考虑未来50年气温上升2.6℃的条件下,在路基中间隔离带安装热管能够有效抬升路基中心下人为冻土上限,确保高温多年冻土区宽幅路基或高等级路基的热稳定性.

青藏铁路多年冻土区的片石护坡路基的大量使用,起到了降低路基基底多年冻土温度和调节多年冻土人为上限形态的作用,为青藏铁路的安全运营提供技术保障。青藏铁路多年冻土区沿线沙害主要分布在线路经过的河谷及湖泊附近,在风沙危害严重地段,片石护坡孔隙被沙害掩埋,改变了片石层传热特性,影响片石护坡的降温效果。通过室内试验及现场地温监测分析,根据不同条件(有无积沙、阴阳坡)对片石护坡的降温效果进行了对比分析,研究结果表明:(1)由于片块石层的大孔隙特性,使得片块石护坡能通过暖季隔热、寒季散热这一机理来对路基体进行降温,测温数据显示降温效果良好;(2)片石护坡积沙后其降温效果明显减弱,通过片石层内0.6 m和0.8 m深度的地温积温比较,积沙路段积温明显高于无积沙路段,其中路基阳坡侧高出约50%,路基阴坡侧高出约100%。

框架通风锚管多年冻土边坡支护结构是基于"积极保护冻土"的原则提出的一种同时具备通风降温功能和锚固功能的新型多年冻土边坡支护结构,为了推动该结构在工程中的应用,现对其降温效果进行研究。首先,对通风锚管与土体之间的管壁换热机制进行分析,得出考虑风速影响的管壁热流密度计算公式;然后建立通风锚管径向传热模型,以管壁热流密度作为锚管边界条件,通过摄动方法求解,得出径向冻结锋面扩展的降温效果评价指标;同时,基于能量守恒定律得出通风锚管轴向坡面融深变化的另一降温效果评价指标;采用自主研发的有限元程序对通风锚管的降温效果进行数值模拟,并结合理论结果进行验证分析。结果表明:管壁的热交换作用是对流换热和蒸发散热两种作用的叠加;通风锚管具备较好的降温效果,且受管壁开孔率的影响较大;给出的评价指标能够全面的评价通风锚管的降温效果;有限元结果也证实了通风锚管良好的降温效果以及评价指标的合理性。研究成果能够为结构的设计提供理论依据和指导。

在热棒外围浇筑混凝土形成的热桩基础在冻土区电力杆塔中常被应用。热棒的工作功率随着大气温度、蒸发段土体温度的变化而变化。基于冻土传热学相关知识,结合青藏铁路望昆～不冻泉段电力杆塔基础的现场地温测试试验,建立热桩基础的三维有限元模型。考虑全球气候变暖、冻土相变、混凝土水化放热、热棒功率变化等因素,运用迭代的方法进行热棒功率和桩周土体温度计算。计算结果表明:计算结果与实测结果吻合程度较高,能较好的模拟现场情况。热棒的功率呈非连续波浪式变化,受混凝土入模温度及水化放热的影响,初始阶段功率达到最大160.6 W,第2年的平均功率比第1年低7.0 W。热桩基础能够有效增加基础冷储量,最大降低桩侧土体地温2.1～3.0℃,年平均地温降低0.8～1.5℃,能缩短桩周土体回冻时间约34%,第30 a可提高冻土上限49 cm。

青藏铁路建设中输电塔穿越多年冻土地区,最大的难题是解决输电塔桩基的长期热稳定性问题。为研究热棒应用于输电塔桩基的长期降温效果,基于冻土传热学相关知识,考虑全球气候变暖、冻土相变、混凝土水化放热、热棒功率变化等因素,结合青藏铁路望昆—不冻泉段电力塔热棒桩基的现场试验,建立热棒桩基的三维有限元模型。计算分析50 a内热棒功率和桩土体系温度场。计算结果表明:最初2 a内的计算值与实测值吻合度较高,说明数值计算能较好的模拟此场地桩土体系温度的动态变化;在热棒的全寿命周期30 a内,热棒功率呈非连续波浪递减式变化;热棒桩基能有效增加冷储量,降低土体地温,第5年桩周土体地温降至最低,融化深度最小,第30年可提高冻土上限48cm;建议在热棒寿命结束后的第2年更换新的热棒或进行其他工程处理措施保持输电塔基础的热稳定。

U型块石路基作为块石护坡与块石基底两种结构路基的组合,同时也作为青藏铁路的一种主要补强措施,其在高温冻土区的长期降温效果备受关注。基于长期的现场监测资料,对青藏铁路楚玛尔河高温冻土区一处U型块石路基的长期降温过程、降温机制以及变形特征进行了研究。结果表明:U型块石路基表现出持续稳定的降温效果,路基下部多年冻土上限附近降温明显,上限抬升迅速,且进入稳定状态。基底块石层底、顶板温差存在明显冷暖季差异。阴坡侧块石层每年1月至3月初为相对强烈自然对流期,阳坡侧相对缩短半个月时间。受工程热扰动影响,深层的多年冻土在经历2～3年升温过程后,呈现显著的降温过程。路基变形整体表现为较小的沉降量,变形主要来源于早期路基下部高温冻土层的压缩变形。总之,U型块石路基在高温冻土区表现出长期有效的降温效果,变形量有限且已趋于稳定,路基整体稳定性可以得到保证。

根据青海省共(和)玉(树)高速公路特殊结构路基的地温监测资料,对3种路基(XPS保温板路基,碎石路基和通风管路基)填土与地基土的地温变化情况及冻土人为上限变化与天然上限附近热流密度状况以及路基温度场的非对称性进行对比分析,研究3种路基的地温分布特征及降温效果。测试结果表明:(1)3种路基在左、右路肩的不同深度处均呈现出明显的升温趋势,观测期内,XPS板路基升温幅度最大;碎石路基次之,通风管路基最小;(2)路基修筑完成初期,3种路基的多年冻土人为上限均存在不同程度抬升;到第3年,3种路基下多年冻土人为上限均下降;(3)3种路基的冻土上限附近热量收支均呈吸热状态,吸热量大小顺序为XPS板路基>碎石路基>通风管路基;(4)3种路基内部温度均呈左高右低的不对称分布。综上研究结果,建议在今后高温冻土区的高速公路建设中优先采用通风管路基。同时,为减小地温不均匀分布造成的路基纵向裂缝等病害,路基的横断面应采取差异化设计的原则。