基于热力学行为与新型土工格室加固的北麓河多年冻土路基冻胀机理研究

针对寒区基础设施因冻融循环引发的冻胀灾害问题，研究人员通过现场试验与微观结构分析，探究了北麓河冻土路基的热-力耦合响应规律，并创新性提出新型土工格室土壤系统（NGCS）。研究表明NGCS能将冻胀位移控制在1mm以下，显著降低0-250 kPa范围内的土压力，为冻土工程稳定性评估与加固提供了可靠解决方案。

　　

在全球变暖背景下，冻土区基础设施面临严峻挑战。冻融循环引发的冻胀现象导致路基不均匀位移，形成波浪形路面和局部滑移破坏，严重威胁青藏高原等寒区工程安全。传统评估模型难以应对-2°C至-1°C关键温区冻胀突变，而拓宽路基工程若设计不当更会加剧差异沉降。这些难题亟需从热力学机制和新型加固技术层面突破。

中国某研究团队在《Research in Cold and Arid Regions》发表的研究中，以北麓河试验站（海拔4633米）为基地，通过为期两年的现场监测结合ABAQUS数值模拟，系统揭示了冻土路基热-力耦合响应规律。研究创新性地开发了新型土工格室系统（New Geocell System, NGCS），其由中置圆柱体与刚性板墙构成，通过热-机械耦合分析证实其可有效抑制冻胀位移。关键技术包括：1）在-25°C至25°C温控条件下构建路基模型；2）采用间隔0.5m的 thermistor温度传感器网络监测冻融锋面；3）基于GB/T50123-2019标准进行土样力学参数测试；4）通过微结构成像解析冰透镜体形成机制。

【温度剖面特征】
监测数据显示（图4），地表温度振幅较空气温度更稳定，-2m深度存在显著温度骤降带（图5）。这源于水冰相变导致的密封效应，使未冻水含量在-3.5m深度骤降至10%以下。研究首次将冻胀过程划分为五个阶段：初始冻胀（IFH）、过渡阶段（TSFH）、快速冻胀（RFH）、缓慢阶段（SFH）和沉降阶段（SS/RS），其中-2°C至-1°C温区冻胀速率呈现指数级增长。

【微观机制解析】
通过电镜观测发现（图6），冻胀前锋区存在交替层状裂隙，冰透镜体发育与未冻水迁移直接相关。温度梯度驱动下的"热泵效应"使向阳坡净辐射值较阴坡低15%（图6d-e），导致水分定向迁移。值得注意的是，当土体初始含水量达30%时，冰分凝现象显著增强，而-5°C以下低温会引发冻土粘塑性行为转变。

【NGCS加固效能】
数值模拟表明（图7-9），NGCS通过板墙-圆柱组合结构实现荷载重分布：1）顶部圆柱体承受900-300 kPa压应力仍保持弹性；2）冻胀位移从自然土体的2.3mm降至1mm以下（降幅65%）；3）冻胀堆效应被限制在板墙连接处（位移<2mm）。对比传统U型碎石路基（UCRE），NGCS在-10°C条件下的位移差异减少44%，且压力传递更均匀（图10）。

该研究创新点在于建立了冻胀位移与温度梯度的定量关系模型，证实NGCS能阻断冻胀锋面发展。工程应用显示（图12），拓宽路基阴坡结合NGCS后，不同深度层位移差异控制在0.2mm内。研究为寒区工程提供了两重突破：理论层面揭示了冻胀前锋区是力学响应薄弱带，实践层面开发出可适应热响应迁移的模块化加固系统。未来需进一步研究NGCS在长期冻融循环中的耐久性，以及水力-热力-力学（THM）多场耦合效应。这些发现对青藏铁路、高原公路等重大工程维护具有重要指导价值。