为了探明高纬度多年冻土区跑道修筑技术及沉降演化特征，基于漠河机场跑道冻土开挖换填深基坑现场监测和三维有限元仿真模拟数据，分析了机场深基坑施工过程中周围不同方向累计变形规律，探讨了不同沉降预测方法对多年冻土区跑道沉降预测的精度和适用性，预测了漠河机场跑道深基坑工后沉降稳定性时间及最终沉降量。结果表明：针对不同冻土深度的换填方法，建议采用变深度开挖换填措施，换填深度依冻土层含水率略大于塑限含水率时为止；冻土开挖换填措施能够很好的满足高纬度多年冻土区机场施工进度和变形要求，有效的降低工后沉降的风险；采用对数函数和有限元软件模拟预测漠河机场深基坑工后沉降结果精度高且适用性强，可用于预测冻土区机场跑道工后沉降量及稳定时间；冻土区机场跑道深基坑开挖、换填以及运营过程中均需要对沉降变形进行监控，以保障高纬度多年冻土区机场建设和运维安全。

为了研究修筑公路对高海拔多年冻土层热状态的影响，开展了新藏公路多年冻土区路段沿线病害调查，在海拔5 400 m地带修筑了冻土地温监测断面与气象监测站点；对气温、地温、辐射强度进行了监测，依据监测结果计算了冻土上限处的热流通量，分析了多年冻土层地温变化特征；基于热传导和热扩散理论，建立了天然地基及普通路基下部多年冻土地温-深度理论预测模型。研究结果表明：多年冻土区公路病害主要由于沥青路面大量吸热导致，热棒、隔热层等主动、被动保护的手段虽有一定效果，但不能改变多年冻土的快速退化；研究区域天然地基与路基中心一天内温差最高达19.66℃,左、右路肩一天内温差最高为4.94℃,天然地基下深层多年冻土温度稳定在-6.0℃左右，路基中心下部深层多年冻土温度稳定在-5.6℃左右，路基下部相较天然地基温度变化更为剧烈，且等温层温度更高；研究区域的辐射强度在一天的10:00～18:00显著增强，在一年的3～6月为辐射强度的顶峰期，浅层地温主要受辐射强度的年周期变化影响；天然地基、路基中心、阴坡路肩与阳坡路肩下部多年冻土层年热流通量依次为-4 001、-14 649、-4 487与58 303 kJ·m

在多年冻土区进行工程建设，将不可避免地影响到下伏多年冻土热状况，进而影响到冻土地基承载力和工程结构的长期稳定性。结合高海拔连续多年冻土区某渠道工程，针对溢口开展了多年冻土地温监测系统的建设与地温连续观测。基于获得的2019—2020年冬季监测数据，分析了溢口开挖施工过程及后期过水对下伏多年冻土的热影响规律和程度。初步研究结果表明，受积水和过水影响，溢口下伏浅层地温对环境气温的季节波动响应不明显，与天然场地浅层地温变化过程显著不同。溢口下伏多年冻土地温较天然场地地温高，且越靠近过水断面，两者差异越大，现有结果表明这一差异为0.4℃左右。鉴于冻土地基强度与变形行为的温度依赖性，建议加强溢口沉降变形及水深、流速、水温等过流水体的关键参数监测工作，为溢口长期热力稳定性预测与预警提供重要依据。

为分析冻融过程、道砟覆盖及降雨对多年冻土区铁路路基土体导热系数的影响,对青藏高原多年冻土区铁路路基试验段和天然地表土体开展导热系数、温度、水分原位监测。结果表明:融化期导热系数波动均明显大于冻结期,天然场地导热系数在冻结期大于融化期,而无道砟覆盖路基土体和道砟覆盖路基土体的导热系数在冻结期小于融化期,与通常的认知和温度场模拟取值相反;道砟层的保温和阻水效应导致道砟覆盖路基土体含水量和导热系数均小于无道砟覆盖路基土体,冻结期路基土体导热系数有减小趋势,道砟覆盖路基土体尤为显著;降雨入渗增大土体导热系数,低含水量的道砟覆盖路基土体导热系数对降雨的响应最强烈。寒区路基工程数值模拟时,应考虑水热变化对导热系数的影响,不宜采用固定相变区间的分段函数或阶跃函数预估导热系数。

为了研究低温冻土地区软土路基蠕变变形规律,考虑低温和含水率对软土路基蠕变特性的影响,结合KBurgers-MC模型,建立了软土路基的蠕变损伤本构模型。利用C++语言编写了蠕变损伤模型动态链接库文件,通过FLAC3D软件对东港高速公路软土路基蠕变进行数值计算,计算结果表明:桩长对软土路基蠕变沉降有着重要的影响,增加桩长后软土路基蠕变沉降量、蠕变速率和塑性区明显减小;低温环境下含水状态的路基蠕变沉降值小于干燥状态,然而当含水率超过一定界限时路基会发生冻胀现象,导致蠕变沉降量增大;路基的蠕变速率随着温度的升高逐渐增大。将现场监测与数值计算结果进行比较,验证了数值计算的准确性,研究结果对于北方沿海软土路基蠕变沉降的防治具有指导意义。

近年来,受气候暖湿化过程影响,青藏高原湖泊数量及面积增加趋势明显,发生了系列湖岸溃决事件。为防止此类水患威胁到人民生命财产安全和重大工程设施,可通过人工引流疏导工程将外溢湖水有序、可控引流至下游安全区域。然而,在多年冻土区实施引流疏导工程,势必显著改变区域多年冻土水、热状况空间分布,影响区域生态环境的同时严重破坏了水工构筑物自身的长期稳定性。以可可西里盐湖正在开展的引流疏导工程为例,结合现有多年冻土勘察监测技术手段,基于区域多年冻土特征和引流疏导工程构成,提出了利用InSAR、无人机航拍、气象站点观测、地温观测、地球物理勘探等手段实现区域多年冻土空间分布与水热状况的立体监测方法。通过该方法,可实现区域环境气象要素、多年冻土水热状况空间分布和工程稳定性的同步监测,为工程对区域多年冻土环境影响评估提供科学依据,同时服务于工程稳定性和服役性能的预测预警,为未来我国多年冻土区水利工程建设与维护提供重要参考。

隧道冻害与围岩中温度分布密切相关,因此掌握隧道围岩温度分布规律是防止隧道冻害的关键。以我国季节冻土区隧道建设发展为应用背景,依托于正在建设中的吉图珲高铁东兴膨胀岩隧道,结合东兴隧道特殊的工程地质与水文地质条件,在传统防冻方法基础上提出了一种改良的保温防冻新方法。通过监测施工期整个冻融循环过程中衬砌—围岩温度场,对比分析了传统防冻方法与改良防冻方法作用下围岩温度场的分布和变化规律。应用数值模拟方法,建立了东兴隧道衬砌—围岩温度场有限元模型,通过现场监测结果验证模型的有效性。进一步结合延吉地区东兴隧道当地气温预测运营期膨胀岩隧道围岩温度场分布,研究表明:运营期改良防冻方法比传统防冻方法具有更好的保温防寒作用。该研究可以作为季冻区隧道冻害防治措施的重要参考依据。

为研究寒区铁路路基水热动态过程,以北麓河地区路基试验段道砟覆盖路面、无道砟路面(砂砾路面)和天然场地的水分、温度、热通量和降水等数据为基础,分析铁路路基活动层水热宏观迁移规律、活动层水分累积情况及降水对路基热状况的影响。结果表明:路基活动层各深度地温随时间呈正弦规律变化,道砟层能够有效减少外部热量进入路基,道砟路面年平均地温和年较差明显低于砂砾路面;融化期间路基液态水和降水向下运移,冻结过程中水分向冻结锋面运移;夏季强降雨和持续降雨对浅层路基(高度<75cm)短期水热有明显影响,但路基长期水热受降雨影响不明显,也未出现明显水分累积;降雨入渗、地表蒸发伴随的液态水和水汽运移对铁路路基表层水热影响不可忽略。

青藏高原降水变化直接影响多年冻土稳定性及高原生态环境的演变。为定量研究青藏高原降水对多年冻土活动层水热的影响,文中以北麓河冻土工程与环境综合观测站2013年降水资料和活动层水热数据为基础,定量分析了不同季节和不同时刻降水与活动层水热状态的关系。结果表明:1)北麓河地区暖季的高频率、小雨量降水对冻土活动层具有明显的冷却效果;2)冷季降水以少量降雪为主,雪盖厚度薄、持续时间短,不能起到保温层作用,快速融化的雪水反而升高活动层温度;3)不同时刻降雨对活动层的热影响差异明显,14点左右的降雨产生的能量变量最大。

青藏高原地表能量影响高原生态环境的演变、水资源利用及地表工程的稳定性。以青藏高原北麓河气象站2012年10月2013年10月气象资料和浅层地热流为基础,分析了北麓河地区地表能量收支和平衡特征。结果表明:1)北麓河多年冻土区能量平衡各分量冬季较小,夏季较大,净辐射、潜热、感热和地表土壤热通量年平均分别为72W/m2、24.6W/m2、65.5W/m2和-18.3W/m2;2)月平均感热大于潜热,年平均地表土壤热通量为负值,天然地表多年冻土处于相对稳定的状态,与五道梁、西大滩和唐古拉地区有明显区别;3)夏季降雨作用时间短暂,潜热影响有限,但降雨入渗引起的液态水分对流传热、水汽对流和扩散潜热对地表能量收支分析和土壤内部水热动态变化的影响不可忽略。