在永久冻土段修建宽幅路基需解决高寒、高海拔、高纬度等恶劣因素所造成路基不均匀沉降、纵向裂缝、道路翻浆等严重工程病害问题。以新疆中天山冻土段为例，现场试验观测数据为基准采用数值计算方法；研究曲线型通风管结合碎石层复合路基制冷效果。研究结果表明：半挖半填路基温度场横向差异明显，在20个运营年后，左路肩与路基中心处最大融深相差3 m；在第20年时，折线形通风管路基冻土上限为1.45 m相对普通路基提高了6.55 m。折线形通风管路基在第10个运营年后，路面以下4 m处-1.8℃等温线形成一个冻结区域，并在之后的5年内沿着路基横向与坡向发展。
以青海某工程为实例，将通风管降温技术应用到输电线路冻土地区工程中，通过分析通风管内空气与大气热量交换的物理过程，对通风管与输电线路杆塔地基土体的传热物理特征进行研究，推导通风管强迫对流的合理长径比。同时，结合冻土地区输电线路工程实际环境，进行通风管降温效果数值分析。结果表明，空气在通风管内的流动以湍流换热方式消耗了输电线路杆塔地基中存在的热量，减少了杆塔地基热量的下传，能够有效降低地温，使基础以下多年冻土维持冻结状态，通风管降温技术作为冻土地区杆塔地基融沉的良好防治措施效果良好。
考虑到宽幅路基的“聚热效应”和复杂的多年冻土环境，拟建青藏高速公路建设所面临的关键问题是如何保证路基的长期热稳定性。基于现场监测数据和传热传质理论，建立分离式通风管路基三维数值模型，分析与预测未来50年通风管在青藏高速公路分离式路基中的工程效果。结果表明：分离式通风管路基具有较好的降温效果，能够保证路基及其下部多年冻土的长期热稳定性。但是，当隔离带宽度小于10m时，后幅路基管道内部风流变化特征受到隔离带宽度的显著影响，导致其对下部多年冻土的降温效果弱于前幅路基。此外，在隔离带较窄情况下，两幅路基之间隔离带区域存在局地增温效应，将对路基及其下部多年冻土产生严重的热扰动，不仅引起多年冻土上限下降、温度升高，而且增加了路基两侧下部土体温度场的不对称性。尝试将两幅路基通风管连通来弱化局地增温效应，但连通后路基及隔离带区域下部土体的热状况反而更差，说明这种方法未能有效解决局地增温效应的热影响。
针对不同深度的冻土导致路基同一断面阴阳坡产生横向的沉降差问题,将经过冻融循环试验后的粉砂土进行固结压缩试验,并运用Abaqus软件将试验结果代入作为边界条件,进行路基阴阳坡沉降模拟,通过路基差异沉降及变坡率判断路基的稳定性。根据试验和有限元仿真分析结果,对吉林省松原市石化大街路基两侧边坡采用掺入泥炭的粘性土进行覆盖保温、沿道路路基纵向定距设置通风管的方法,可以有效防止路面因路基横向差异产生的沉降而发生破坏。
在多年冻土地区,路基工程的修筑将对下伏多年冻土的热力稳定性产生显著的影响。为保护多年冻土,保证路基的长期稳定性,通风管作为一种对流换热类主动冷却降温措施被广泛应用。通风管内的对流换热强度与管内风速密切相关,针对这一问题,采用现场监测与数值模拟相结合的方式开展了通风管内风速特征及影响因素的研究。结果表明:随通风管管径的增加,管内风速呈抛物线型增加,当管径达到0.6m后,管内风速增加不再明显;通风管外伸长度对管内风速的影响较小,但随环境风速的增加这一影响逐渐加强;管内风速随通风管的埋设高度的增加呈线性增加,当通风管的埋设高度达到2m后,管内风速受路基高度的影响较小;此外,在两幅路基并行条件下,受上风向路基的遮挡作用,下风向路基管内风速明显降低,以两幅路基管内风速差值不超过0.4m·s-1为标准,路基高度为3m时两幅路基最小间距为50m。
多年冻土区公路路基大多属高温冻土、极易受工程的影响产生融化下沉,多年冻土区宽幅公路聚热效应尤明显,路基宽度的增加会导致路基病害加重,路基稳定性问题已成为青藏道路工程建设亟待解决的关键问题。透壁式通风管-块石复合路基是一种主动降温措施。为研究其在宽幅公路的冷却效果及路基宽度的变化对路基降温效应的影响,基于块石层和通风管中空气的流速场和多孔介质传热的温度场的特征,采用两相物理场耦合关系,在考虑全球气候变暖以及路基两侧阴阳坡的条件下对宽幅公路透壁式通风管-块石复合路基的温度场进行数值模拟,分析路基施工后10年间的降温效应。研究结果表明:相较于素土路基,透壁式通风管-块石复合路基在路基下侧形成稳定冰核,对宽幅公路的冷却效果更为显著,宽度对路基的风速场和温度场影响明显。路基宽度增大,透壁式通风管风速减小,块石层风速增加,冰核面积及其下移深度增长速率变小,路基稳定时间加长,透壁式通风管-块石复合路基的降温效应逐渐减弱。当路基宽度大于32 m时,块石层风速增长速率明显放缓,低温区域面积增长速率及边缘深度下移增长速率下降,路基稳定时间延长,零温线上升高度减小。
本文依托工程实例,阐述了以降温为主的多种高原冻土路基的处理措施,及其综合、成套应用研究。达到了长期保护多年冻土路基的目的,保障冻土工程建(构)筑物的工程稳定。
为了给高温多年冻土地区通风管路基建设提供参考,根据青海省共和至玉树高等级公路现场监测数据,研究了通风管路基的传热特征,揭示不同季节通风管管内温度变化过程,分析了冻土上限附近热流密度状况。研究结果表明:冷季时通风管路基底部地温低至-6℃,通风管将外界冷空气的冷量直接引导至路基底部,对下伏冻土层产生了主动冷却效果;在2年的观测期内,路基下伏多年冻土层地温未出现明显变化,冻土上限保持稳定;与同期天然孔地温相比,路基底层下5m附近的土层出现了约0.3℃的升温,但该升温过程在通风管路基建设完成后初期已完成,随后趋于稳定,冻土热状况较为稳定;暖季时通风管的吸热强度是冷季放热强度的2.4倍,1年的吸热量约为7.76 MJ·m-2,通风管路基整体处于缓慢吸热状态。
结合国内修筑在多年冻土区的G214线的通风管路基现场试验段测试结果,分析了通风管路基典型部位的温度随深度、宽度和时间的变化情况。结果表明:天然土体和路基中心处的温度在四季中随着深度的增加呈现的变化规律基本相同,但是路基中心处的活动层厚度较天然土体更深;路基下表面年温度变化幅度较上表面小,降温幅度较明显;路基不同位置处的地温年变化近似呈正弦状分布,且地温周期大致相同,但阴阳坡土体温度场呈现不对称性。
气候变暖背景下,块石路基及通风管-封闭块石基底复合路基成为多年冻土区高等级公路冷却路基的主要结构形式.为探明不同直径块石层的渗流特征和规律,开展了立方排列球体室内风洞试验,一方面获得了渗透率和惯性阻力系数及其与球体直径间的统计关系;另一方面得到了球体层内部压力梯度与渗流速度呈二次非线性关系.基于该试验得到的参数和关系,采用多孔介质中流固耦合传热模型,通过有限体积法模拟了柴木铁路块石路基的降温效果,并利用实测数据验证了模型及参数的可靠性.在此基础之上,以青藏高等级公路特殊路基为原型,使用该传热模型开展了封闭块石基底路基和通风管-块石复合路基长期冷却降温效果的数值模拟研究.结果表明:封闭块石基底路基和通风管-封闭块石复合路基在研究期内均有降温效果,可以提高路基下人为上限,而块石夹层路基在一定时期内可以提高冻土上限,但下部土体温度升高,长期降温效果较差.