多年冻土与路基工程之间复杂的水热力相互作用表现出显著的尺度效应，空间尺度、时间尺度和结构性态等都会对其产生影响。对冻土路基尺度效应的深入认识是揭示大尺度冻土路基热融风险机理、融沉防控的重要理论基础。近几十年来，基于室内外试验和数值分析等方法，冻土路基尺度效应研究从现象到机理，最终形成了理论体系，取得充分发展。文章总结了冻土路基尺度效应理论体系、研究方法，梳理了近年来在上边界条件、空间效应、时间效应和结构效应等方面的研究进展，并在此基础上对今后的研究重点提出了一些构想。

基于最大融化深度、基底总吸热量、冻土融化潜热和热融蚀敏感系数四个指标，从高度效应、宽度效应、坡度效应和冻土年平均地温方面综合阐述了冻土路基热收支的尺度效应。同时基于统计学原理，对影响冻土路基热收支尺度效应的因素进行显著性分析，探究多因素交互作用的效应性。结果表明：路基高度对最大融化深度的影响最大，冻土年平均地温对基底总吸热量的影响最大，路基宽度和冻土年平均地温对冻土融化潜热量的影响最大，路基高度和路基宽度对冻土融化潜热量的影响最大。研究冻土路基热收支尺度效应，应综合考虑多因素之间的交互作用。

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。

本文分析了青藏公路60多年来的历次改建及病害资料,以道路病害率为依据将青藏公路分为稳定区、基本稳定区、不稳定区和极不稳定区;选取了134 km典型病害路段,分析年平均地温、冻土上限退化速率、含冰量与道路病害关系,确定各因素影响下道路的平均使用年限;研究热棒、片块石、保温板、通风管路基处治效果,以及各处治措施实施后引发的新工程病害,分析新生病害的时间效应,并介绍了弥散式通风路基、单向导热板路基和路基路面一体化散热结构等适用于大尺度冻土路基的新型稳定技术。研究结果表明:年平均地温、冻土上限退化速率、含冰量等因素与道路使用寿命均为负相关关系,在各类处治措施中,热棒、片块石、保温板、通风管加片块石对病害预防的有效率较高。

为分析多年冻土区高速公路宽幅路基热稳定性,量化评价路基尺度变化对冻土路基热收支状态的影响,提出了路基的尺度效应概念,以描述因路基尺度变化而引发的路基热收支状态的变化;应用数值仿真模拟手段,对比分析了不同路基尺度下冻土路基的热量传输过程。研究结果表明:随路基宽度和高度的变化,路基热收支状态变化明显;在高温冻土区,宽幅路基的基底吸热量增大20%以上,路基下冻土融化潜热增大2.2倍以上,表现出更大的融沉风险;在低温冻土区,虽然宽幅路基基底吸热量变化不大,但热融蚀敏感系数明显增大,其面临的融沉风险不可忽视;与实测数据相比,提出的计算模型合理且可行。

为了研究不同尺度路基融沉作用对路面结构层力学响应的影响,建立了基于热力耦合理论的有限元模型,系统研究不同路基尺度工况下,融沉作用对不同厚度路面、不同材料基层的力学分布规律影响.结果表明:相同的融沉条件下,整体式路基较分离式及二级路基,变形分别增大45%、64%,应力增大17.5%、21.7%.高速公路面层由于路基较宽,地基融沉更容易向上传递,进而导致面层底部应力增大,最终造成面层的破坏.因此,路面设计过程中保证一定的面层厚度,并采用柔性基层减小模量,可有效以降低层底应力水平,并防止基层裂缝向上反射.

为了研究不同尺度路基融沉作用对路面结构层力学响应的影响,建立了基于热力耦合理论的有限元模型,系统研究不同路基尺度工况下,融沉作用对不同厚度路面、不同材料基层的力学分布规律影响.结果表明:相同的融沉条件下,整体式路基较分离式及二级路基,变形分别增大45%、64%,应力增大17.5%、21.7%.高速公路面层由于路基较宽,地基融沉更容易向上传递,进而导致面层底部应力增大,最终造成面层的破坏.因此,路面设计过程中保证一定的面层厚度,并采用柔性基层减小模量,可有效以降低层底应力水平,并防止基层裂缝向上反射.