冻土水热耦合问题因其控制方程的强耦合特性，使得相应的数值计算存在一定挑战，进而影响其在工程实践中的应用。根据能量守恒、质量守恒原理及土体冻结曲线，给出了考虑相变效应的冻土水热耦合理论模型，而后数学推导得到解耦的理论模型方程以便优化数值求解。基于COMSOL平台二次开发实现了冻土水热耦合过程的数值建模。使用兰新客运专线路基的实测数据进行数值计算的验证，并在拟合的地表边界条件下开展了该冻土路基水热耦合的数值分析。分析表明：（1）不同深度观测点对应的温度和含水率数值解与实测值具有较好的一致性，从而验证了所解耦的冻土水热耦合理论模型的可靠性。（2）土层对温度和含水率周期性变化时的幅值均有“削峰”作用，且不同深度观测点的温度和含水率正弦变化曲线均有一定的相位滞后现象。其中，温度幅值削峰和相位滞后是热传导过程的能量耗散引起，而含水率曲线的类似现象则可能是冰水相变改变土层渗透性的缘故。（3）近地表附近温度等值线较密，而远地表土层中温度等值线较疏，表明路基表层更易受外界温度波动影响。夏季时温度自上而下逐渐降低，而冬季时温度自上而下逐渐升高。（4）路基断面中含水率随着深度的增加而增大，约在含水泥粗粒土材...

针对冻土的各向异性特性，基于线性黏结接触模型，建立了能够反映冻土各向异性特性的修正线性黏结接触模型，并通过C++语言生成供颗粒流程序PFC3D调用的离散元本构子程序DLL。首先对单一接触进行了拉伸、直接剪切测试，通过对比数值与理论结果，验证了考虑各向异性影响的冻土修正线性黏结接触模型的正确性。此外，模拟了不同温度条件下的冻土三轴压缩试验，并与试验得到的应力-应变曲线进行对比，结果表明，所提出的修正线性黏结接触模型对冻土具有较好的适用性。基于标定后的模型细观参数，开展了一系列的三轴压缩离散元数值模拟，利用模拟结果探讨了虚拟弱面法向倾角对冻土的应力-应变曲线特征、强度及抗剪强度指标的影响，并分析了有效配位数、细观组构量的演化规律。研究结果可为冻土各向异性宏-细观力学特性提供数值基础。

为实现远程实时监测冻土区输电线塔安全状态,保证电力输送长效稳定,设计了冻土区输电线塔监测预警系统。基于输电线塔的变形特性,确定了关键的监测参数和对应的测量方法。考虑冻土区域特殊气候环境,制定了数据传输模块和能源模块的设计方案。采用理论计算和ARIMA-BP组合预测模型综合分析输电线塔的安全特性,并开发对应的服务器程序和应用端程序。实现冻土区输电线塔安全状态的监测预警,具有一定的工程推广意义。

为了快速准确掌握多年冻土边坡的冻融反应规律,基于水热力耦合理论,依托MATLAB编制了能反应土体多场耦合机制的有限元程序,与经典试验对比吻合较好,验证了程序的可靠性。据此开发了一套可独立运行、操作简便的多年冻土边坡水热力耦合分析软件,介绍了软件的功能和开发过程。结合算例分析了冻融作用下冻土边坡的反应特性,结果表明:不同时刻边坡的温度、水分、应力和位移有明显差别,在坡面冻融交界面出现剪应力最大值条带,边坡水平位移在冻结完成时,沿坡面大小基本相同,融化期结束时为上小、下大,融化时边坡的水平位移、未冻水含量均比冻结时大,而剪应力最大值却小;暖季多年冻土稳定性较差,开发的软件对冻土边坡工程冻融计算有重要应用价值。

在我国正在实施西部大开发战略的今天,研究青藏高原开发中的冻土问题,有着积极的现实意义。阐述了青藏高原冻土分布现状,分析了青藏高原的冻土问题,提出了青藏高原冻土的开发与保护具体措施。

在现有的OTC内碳通量观测仪器设备基础上,设计开发出一套以AT89S51单片机为控制核心,通过L293D控制电机正反转控制箱盖定时开关,实现了多年冻土区OTC内碳通量自动观测.观测主体箱用透明采光性良好的玻璃纤维材料制成,电机传动采用齿轮传动,箱口和箱盖接触地方用橡胶密封圈包裹,防止箱盖密闭时漏气.OTC内碳通量自动观测仪最大可能性的减小了当前模拟增温条件下碳通量观测受自然条件和人为因素的影响,极大的降低观测费用,提高了数据的连续性,基本上实现了多年冻土区模拟增温条件下碳通量较为精确地自动、连续观测.试验表明:在气象条件相对较好的2013年5月15日,OTC内碳通量自动观测仪观测结果和传统OTC内利用LI-COR6400观测结果规律性都较强,野点较少,二者相关性显著(R2=0.96);而在气象条件相对较差的2013年9月1日,OTC内碳通量自动观测仪观测结果受外界干扰小,观测结果规律性强,野点较少;而传统OTC内利用LI-COR6400观测结果规律性较差,野点较多,数据可信度不高,二者观测结果相关性不显著(R2=0.67).

针对隧道水平冻结法施工的特点,综合考虑地层温度、地表对流等各类初始和边界条件及土体的相变潜热过程,建立隧道水平冻结温度场的数学模型。定义土体的冻胀率为瞬时体应变,考虑冻土的正交各向异性冻胀变形特征,即冻胀变形主要发生在沿热流方向(温度梯度方向),引入变形特征系数的概念,从而导出土体温度降至冻结温度后而产生的瞬时热应变分量(冻胀应变分量),并建立地层冻胀的弹塑性热力耦合数学模型。基于ABAQUS有限元软件的二次开发技术,编制冻土正交各向异性冻胀变形的用户子程序,从而提出隧道水平冻结期地层位移的热力耦合数值分析方法。将该方法应用于某浅埋大断面地铁隧道水平冻结工程中,获得地层冻结温度场和冻胀位移场的分布规律,并与现场实测结果相比较,验证数值分析方法的可靠性,同时表明地层位移分析中考虑冻土正交各向异性冻胀变形特征的必要性。

青海省祁连山南缘多年冻土区发现天然气水合物,这是在我国冻土区的首次发现。虽然青海天然气水合物的发现与开发具有诸如能源战略等重要意义,但在多年冻土区开发天然气水合物具有巨大的环境影响风险,包括CH4释放对全球气候的影响、冻土层的退化和高寒草甸的破坏、开采过程中可能出现的塌方和地陷等。可以通过采用安全可靠的具有针对性的开发技术和工艺,将青海天然气水合物开发纳入柴达木循环经济范畴,采用CO2捕获和封存技术,以及控制工程过程等来防治天然气水合物开发过程中的环境影响。

天然气水合物具有污染小、储量大、分布广、能量密度高等独特的资源优势,被誉为未来的战略接替能源,引起了世界各国的高度重视。虽然我国已分别在南海和青藏高原多年冻土区钻获了天然气水合物实物样品,但与天然气水合物开发研究强国相比技术差距仍然很大。鉴于陆域天然气水合物比海域天然气水合物勘查成本低、开采安全系数高、开采对生态环境影响小,建议当前我国应选择青藏高原多年冻土区重点部署天然气水合物的开发,并采取制定国家规划、加大投入力度、建立研发基地等措施加强其开发研究。

根据多年冻土区铁路路基的特点,设计开发的多年冻土区铁路路基养护管理信息系统,其设计思想及总体框架,实现路基动态信息管理的电子化、可视化,建立路基状态评价及预测模型,完成软件的开发。经青藏铁路公司工务段现场测试,该系统具有较好的实用性。