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冻土是一种对温度十分敏感且性质极不稳定的土体，由于全球气候转暖和高原地区人为活动增多，使进入冻土层的热量有所增加，引起冻土融化、多年冻土上限下降和沉降变形，导致不稳定程度更加剧烈，使得冻土环境遭到破坏，诱发各种工程病害。中科院寒旱所冻土工程国家重点实验室赖远明、吴紫汪研究员等两代科研人员在国家自然科学基金资助下，通过野外现场监测、室内试验和理论分析，对冻土道路和隧道冻害的形成机理、预报方法及防治措施进行系统的研究，主要取得了如下成果:
1．探讨了气候变暖对多年冻土退化的影响规律，提出了在考虑土、水、温、盐和力影响的前提下未冻水含量变化的预报模式，建立了考虑水份迁移的冻土温度场的控制微分方程，系统研究了冻土退化及对冻土路基稳定性和不同冻土路基路面的影响，提出了消除道路融沉病害的措施。
2．建立了多孔介质对流换热的有限元模式，研究了碎石护道对改变阴阳坡路基温度分布的影响,提出了对于阴阳坡温度相差1.8℃的冻土路基在阴阳坡增加厚度分别为
80cm和160cm碎石护道，就能达到使路基温度对称分布目的技术措施,
解决了由于阴阳坡温度差的作用，造成路基下的冻土上限呈不对称分布，引起路基的不均匀沉降，形成纵向裂缝的这一长期困扰工程界的难题。
3．在国际上率先通过对严寒地区隧道现场气象条件的分析，建立了隧道内的空气与围岩对流换热及固体导热的综合模型，用此模型分析预报了当时正在施工的227国道宁张公路上的大坂山隧道开通运营后洞内气温及围岩冻结、融化状况，较好地解决了沿隧道不同进深围岩的冻融特征计算,
以及运行过程中多年冻土发生条件、发展过程预报难题。
4．提出了带相变的温度场、渗流场和应力场三场耦合问题的数学力学模型及其控制微分方程，应用伽辽金法导出了这一问题的有限元计算公式，分析了大坂山隧道（图1）在经过５年的冻融循环后，隧道衬砌的应力和变形。计算结果表明原设计隧道使用5年后在边墙与仰拱交界处的剖面上的最大压应力为25.88MPa(图2)。在这个剖面的上压应力已超过混凝土的极限抗压强度,衬砌将会压碎，遭到破坏。为了保护该隧道免遭冻害的破坏，提出了寒区隧道防冻害的综合技术措施。采取这些综合措施后，提高了隧道内的气温和围岩的温度，降低了隧道围岩和衬砌的冻胀应力，起到了保护该隧道的作用，进而使该隧道由原来的使用3-5年后就会遭到冻害的破坏，变成现在的像南方的隧道长期使用也不会遭到冻害的破坏。 |
