为了使多年冻土隧道围岩保持冻结状态，经常选择在隧道衬砌结构中铺设保温隔热层的方法以防止围岩产生冻融破坏。保温隔热层的厚度是影响多年冻土隧道结构的稳定性和工程经济的一个重要参数。针对这一问题，建立了考虑渗流和冰水相变的水-热耦合模型，并将该模型嵌入COMSOL Multiphysics数值软件中加以应用。以青海省某隧道为研究对象，对该隧道洞口段保温隔热层厚度的优化设计进行研究。结果表明：隧道仰拱位置被确定为优化设计的不利位置，隧道开挖在第1年的5月23日温度达到最高，被确定为优化设计的不利时间；不利位置处的最高温度随保温隔热层厚度的增加而下降，通过拟合公式计算出最优隔热层厚度为7.2 cm;在最优保温隔热层厚度下隧道衬砌背后围岩温度均处于0℃以下，不会产生冻融破坏。隧道在设计隔热结构时采用7.2 cm的隔热层厚度提高了围岩隧道结构的稳定性。

基于ABAQUS有限元软件及其子程序功能，对不铺设隔热层机场跑道地基与铺设XPS材料隔热层与EPS材料隔热层机场跑道地基温度场进行对比分析，同时对地基温度场影响范围、地基最大融化深度进行研究。结果表明：外界温度对深度0 m～8 m地基温度影响剧烈，深度越大，地温的年变化幅度越小，在10 m深度以下对地基温度场几乎没有影响，铺设隔热层可以大幅减少外界温度对地基温度场的影响；未铺设隔热层的机场道面下冻土融土核呈椭圆形分布，铺设隔热层的机场道面下冻土融土核形状不规则，且面积大于未铺设隔热层的机场道面下冻土融土核面积；铺设XPS材料隔热层的跑道地基最大融深小于铺设EPS材料隔热层的跑道地基最大融深，不铺设隔热层的跑道地基最大融深最大；隔热层的铺设虽然可以起到阻止外部热量进入地基内的作用，同时也会阻止下部土体的散热作用，但总体上有利于提高多年冻土地基的热稳定性。

目前几乎所有冻土隧道设计都会采用保温隔热层避免冻融作用发生,但是在保温隔热层的参数选取时,保温隔热效果是主要考虑的因素,而对其成本考虑较少。为了使保温隔热层既能防止冻融作用的破坏,又能节约成本,以优化理论为基础,结合扩展内点罚函数及冻土隧道特点,建立了保温隔热层的数学优化模型,期望该模型能够达到此目的。以大坂山K0+785断面和风火山隧道K0+835断面为例,验证了该数学模型不仅能用于季节性冻土隧道,而且也能用于多年冻土隧道。优化结果不但能够防止冻害发生,而且还能产生较大的经济效益。由此可见该数学优化模型及求解方法可以为冻土隧道工程中的保温隔热层参数的合理选取提供指导。

针对青藏高原多年冻土区高寒、大温差环境下公路隧道防冻保温与多年冻土保护问题,依托中国首座多年冻土区公路隧道建设实例,采用有限元软件ANSYS,分析了不同隧道保温隔热层铺设方式下的温度场变化,并利用模糊综合评价方法对保温材料性能进行了对比分析。结果表明:多年冻土区隧道宜采用双层铺设方式;保温材料铺设在二衬表面或离壁铺设时应优先选用福利凯保温板,保温材料夹层铺设时应优先选用硬质聚氨酯泡沫塑料材料;研究成果可为避免多年冻土区公路隧道冻害和冻土融化,保障结构长期稳定服役提供科学依据。

在深季节冻土区,涵洞的存在使其基础的冻结深度大于天然场地冻结深度,前者约为后者的2倍,工程中一般将铺设隔热层作为解决方法。本文通过等效厚度换算法比较现阶段3种常用隔热材料的优缺点;以哈大高速铁路上的试验涵洞为原型,运用有限元分析方法,对深季节冻土区涵底有隔热层涵洞的温度场进行数值模拟;为检验隔热层效果,改变隔热层铺设的位置、方式和厚度,分别进行数值计算,了解各因素对涵底冻深的影响,得到适合涵洞基础的最佳隔热层铺设方案。结果表明:泡沫混凝土是涵底隔热层的理想材料,针对试验涵洞,应在基础最上端铺设厚度38cm、比基础宽10cm的泡沫混凝土作为隔热层,这样可以减少涵底最大冻结深度,满足寒区工程需要。

寒区隧道保温层厚度解析计算结果需要根据隧址区气象条件进行修正,通过探究隧道多年冻土段隔热层厚度解析计算结果是否需要修正,以获得隔热层铺设厚度安全、适用的计算方法。基于多层圆筒壁热传导理论,结合由斯蒂芬公式计算得到的围岩最大融化深度,以围岩与初衬之间的温度为0℃作为控制条件,推导了隧道多年冻土段隔热层双层铺设时所需厚度的解析计算公式。进而对该解析方法计算结果存在的误差及来源进行分析,并将该解析方法和有限元数值方法的计算结果进行比较。研究结果表明:隧道多年冻土段隔热层铺设厚度的解析计算结果略大于数值计算结果,其差值在1～2cm左右,在实际工程应用中,考虑到隔热层厚度的规格和工程安全系数,可认为对于隧道多年冻土段,隔热层铺设厚度解析计算方法是合理可行的。

隔热层经常被用于多年冻土隧道中,来防止隧道结构的冻融破坏。文章根据多年冻土特点及优化理论,推导了多年冻土隧道隔热层的数学优化模型;并以风火山隧道为例进行求解,分析研究了隔热层用于多年冻土隧道的合理性和经济性。结果表明,该多年冻土隧道隔热层的数学优化模型是合理的,求解方法是可行的;对于多年冻土隧道,地表温度对隧道围岩影响深度是有限的,因此多年冻土隧道隔热层应根据隧道埋深、年平均温度以及年较差分段设计,才能达到既合理又经济的目的。

结合客运专线无砟轨道路基的工程结构及我国东北地区季节冻土的工程特点,通过对粗颗粒土的室内冻胀试验,得出随着细颗粒含量的增加,粗颗粒土的持水性和冻胀率都相应增大;当粗颗粒土中小于0.075 mm细颗粒含量为5%时,土样经饱和再排水条件下冻胀率为1.31%。根据哈齐客运专线季节冻土区的地质及气候条件,采用有限元数值方法分别对季节冻土区既有和新建的客运专线无砟轨道路基设置隔热层后的路基温度场进行了对比分析,计算结果表明:对于新建路基,在路基面铺设10 cm厚隔热层和保温护坡措施后路基的保温效果良好,可以起到对路基冻害的预防作用;对于既有路基,采用在路基面(轨道板处除外)和边坡位置铺设隔热层措施,路基的保温效果不明显。

隔热层路基作为调控冻土路基稳定的工程措施已在青藏高原多年冻土区应用。为了完善该工程措施的设计、施工及质量控制,在总结青藏公路多年冻土科研成果的基础上,结合"共和至玉树高速公路项目"设计与施工实际,指出了隔热层路基在应用过程中需要注意的问题。

利用相似流域比较法,选取1987年特大森林火灾严重过火区与未火烧区的两个小流域作为研究区,通过野外实验获取两个流域的冻土活动层厚度以及相关的环境因子数据,利用多因子方差分析对火干扰下的冻土活动层及其环境因子进行研究。结果显示:有无乔木以及乔木的生长状况,苔藓层、泥炭层厚度以及土壤的机械组成等均与冻土活动层厚度呈显著相关。火烧区的乔木已完全消失,苔藓层分布不均匀而泥炭层的厚度则显著小于未火烧区,从而导致火烧区的冻土活动层厚度显著大于未火烧区。冻土层的变化将进一步引起冻土区湿地格局变化、林缘后退等生态环境问题。