为研究季节冻土区路基服役过程中温湿度的长期变化情况，以东北地区道路路基为研究对象，在水热耦合方程基础上借助于有限元软件，计算路基填土在长期冻融循环过程中的温度、湿度响应。研究结果表明，路基2 m深度以内的浅层土体受气温影响较大，随着深度的增加温度逐渐稳定，路基温度的变化相较于气温的变化具有滞后性；路基冻结期间，未冻结区域的水分在温度梯度作用下向冻结区域迁移，在冻结锋面处含水率发生突变，融化期间，路基浅层水不易消散，聚集在冻融交界面处导致土体含水率增加；季节冻土区路基长期的温湿度状态表现出以年为单位的周期性变化规律。

冻融作用下边坡的失稳垮塌是冻土区工程建设的重要病害。为探讨和分析西南地区季节冻土区边坡失稳的成因和稳定性变化规律，本文以巴塘地区季节冻土区边坡为研究对象，采用理论分析、数值模拟和室内试验相结合的研究方案，在冻土水热耦合模型中采用考虑未冻水和孔隙冰赋存状态的负温区渗透系数模型。通过直剪试验，进一步得到了边坡重塑土的抗剪强度参数变化规律。基于冻土水热耦合效应，采用COMSOL有限元软件进行二次开发，将边坡坡高设为10 m，坡比为1∶1.5，坡顶和坡底分别向两侧延伸50 m和60 m，坡底向下延伸10 m，建立边坡稳定性计算模型，分析土体冻融过程中由于抗剪强度参数变化而引起的边坡温度场、渗流场变化规律及边坡失稳垮塌机理。结果表明，通过与一维土柱试验值对比，经修正渗透系数后的水热模型计算值相较实际值误差更小，验证了模型的准确性。距边坡表面1 m深度内温度变化幅度很大，1—3月气温持续较低且边坡内部深处温度相对较高，随深度增大土体温度单调升高；4—9月边坡表层升温比边坡内部快，内部深层土体保持相对较高的温度，随深度增大坡体温度呈先降低后升高的趋势；10—12月表层温度下降速度比内部快，且边坡深处...

为探究冻土热-力耦合效应对铁路重力式桥墩抗震性能的影响规律，采用热-力耦合方式建立了土-桩基础-桥墩相互作用下三维实体有限元模型，并利用拟静力模型试验结果对其进行验证。在此基础上，探讨了地表温度和融化层厚度变化对桩基础铁路重力式桥墩抗震性能的影响规律。研究结果表明：采用热-力耦合方式建立的土-桩基础-桥墩有限元模型预测结果与拟静力试验结果吻合较好，能够有效模拟其水平地震荷载作用下的非线性响应；随着地表温度的降低，土-桩基础-桥墩体系的极限水平承载能力、初始刚度和累计耗能均会增大，但桩基础桥墩的侧向位移能力会出现一定程度的降低；随着季节冻土层融化深度的增加，土-桩-桥墩体系的极限水平承载能力、整体刚度退化和累计耗能曲线均出现大幅下降趋势，其中表层冻土融化深度从0cm增加到5cm时桩基础桥墩的抗震性能减弱幅度较为严重。

为研究季节性冻土在冻结过程中各物理场间的耦合作用机制，在封闭条件下开展了直径10 cm、高25 cm土柱单向冻结试验，并结合COMSOL Multiphysics数值模拟软件，模拟了温度场、水分场、位移场及应力场随冻结时间的变化规律。结果表明：在试验初期的前7 h,土柱温度下降速度较快，且距离冷源越近，温度下降得越快，降温的幅度也越大；冻结至30 h,距土柱顶层2～4 cm的范围内富含有大量冰晶体，该区域土体的冻胀量与应力最为集中，土柱最大冻胀量达到约2.62 mm,且冻胀变形量趋于一种稳定状态。

为研究多年冻土区铁路桥梁桥台冻胀倾斜病害的形成机理，并分析其变形规律，针对这一病害建立桥台-路基有限元模型，分析桥台后路基温度场特征及桥台冻胀倾斜规律。基于非饱和土渗流和热传导理论，联立冻土水热微分方程，并使用含冰量计算变形场从而实现水热力三场耦合。利用COMSOL软件建立三维桥台-路基水热力耦合模型，通过室内冻融试验验证该模型的有效性。最后以某多年冻土区铁路桥台为例，对桥台后路基未来30年间冻土上限、桥台冻胀倾斜展开研究分析。结果表明：在未来30年桥台后路基多年冻土上限呈现持续下降趋势，但桥台横截面冷空气的持续输入影响了路基不同位置处的冻土上限下降深度。在距离桥台4 m处路基多年冻土上限阳坡坡脚未来30年下降0.99 m、路基中心处下降0.92 m。在距桥台16 m处路基冻土上限阳坡坡脚未来30年下降1.6 m、路基中心下降1.81 m。在未来30年间，桥台后路基持续发生差异性水平冻胀，顶端累计水平位移155.6 mm、底端累计位移23.6 mm,桥台整体发生倾斜。

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...

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。

气候变暖改变了多年冻土活动层的水热状态和物理特性，降低了斜坡的稳定性。目前多年冻土斜坡的稳定性分析多采用极限平衡方法，然而这种方法难以分析活动层水分场、温度场、应力场和位移场及其耦合效应下的斜坡稳定性。因此，将Mohr-Coulomb准则整合加入到冻土热-水-力模型之中，建立了多年冻土斜坡的热水力耦合模型(coupled thermo-hydro-mechanical model, THM),定量分析了夏季极端高温对多年冻土斜坡稳定性的影响。为了验证模型的有效性，选择了青藏高原东部多年冻土区某一滑坡为研究对象，通过构建极限平衡模型和THM模型计算了其稳定性，并对比分析了模拟结果和现场观测数据的关系。研究结果表明，THM模型模拟结果与传统极限平衡方法计算结果相吻合，且数值模拟得到的滑移面位置、位移量级和最终形态与现场实测资料相一致；在夏季极端高温条件下，当多年冻土活动层融化至1.45 m时，斜坡将沿着融化锋面失稳，且滑移面基本平行于坡面。研究结果对寒区各类工程边坡塌陷和热融滑塌的过程认识具有一定的参考价值。

在青藏高原多年冻土区铁路建设中，由于高原山区地形地貌复杂，建设在斜坡中的桩基础不在少数，地基土经历冻融过程以后桩基常常发生倾斜，严重影响铁路运行安全。为揭示在地基冻胀影响下多年冻土区斜坡单桩的倾斜机理，基于传热学与弹性力学，建立桩体体系热力耦合计算模型并进行室内试验验证计算模型的合理性，考虑地基土原位冻胀、水分相变、大气变暖等因素，进行地基土冻胀影响下斜坡桩基力学特性模拟分析。研究表明：斜坡桩体在地基土冻胀过程受到不均匀水平冻胀力、产生水平位移以及桩体弯矩，且水平位移随着地基斜坡坡度增大而增大；因不均匀水平冻胀引起的桩体应力占总应力的46.3%,对桩体安全性以及工程寿命产生较大影响。进行受到斜坡地基土冻胀影响下单桩力学特性分析，揭示在地基冻胀影响下多年冻土区斜坡单桩的倾斜机理，对多年冻土区斜坡桩基设计及运营有一定的参考价值。

铁路路桥过渡段是整个线路中至关重要部分，也是相对薄弱部位，高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段填土冻胀引起墩台梁体变形变位，对线路平顺性造成了很大影响。针对高寒季节性冻土区铁路路桥过渡段冻胀问题，基于热力耦合理论，采用ABAQUS软件建立铁路路桥过渡段数值模型，分析过渡段温度场与填土冻胀发展变化规律，探讨由桥台后填土冻胀引起的桥梁-桥台-填土相互作用。结果表明：材料热力学特性与桥台温度边界是影响温度场平衡过程与分布规律的主要因素，且距桥台距离增加，影响逐渐减弱；过渡段土体地温具有正弦分布、相位滞后与振幅衰减规律；随着填土水平冻胀变形发展，桥台会逐渐发生侧移和倾斜，进而导致桥梁与桥台顶紧，影响桥梁结构安全。