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按国家高等级公路网的规划，约30％高速公路将穿越季节冻土区，约2％将穿越多年冻土区，特别是青藏高速公路将穿越我国最为广阔的多年冻土区。公路与铁路以及非等级公路与高等级公路路基传热过程和强度都存在本质差别，以宽幅沥青路面为特征的高等级公路路基的吸热强度和聚热效应更加显著，加之更高的技术标准，都将造成冻土与工程之间的相互作用更为强烈、冻土工程问题更为突出，工程建设难上加难。在以“主动冷却路基”为科学思想的指导下，本文围绕高等级公路工程建设中有关冻土路基热稳定性的关键科学问题，通过室内试验、野外现场实体工程试验及数值模拟的有效结合，以高等级公路试验示范工程为依托，对多年冻土区以对流为调控机制的多种措施或其相关复合措施的降温过程、降温效能、降温机制、对流特性及其换热过程、主要影响因素等展开了系统的研究。研究结果以期为多年冻土区高等级公路建设、以及寒区道路病害防治提供科学依据和关键的技术支撑。主要研究结论如下：
1、有关室内机理研究：首次在室内试验条件下实现了在温差驱动下多孔介质内空气流速的高精度测量，实测结果表明在多孔介质上边界为负温条件下，多孔介质中存在明显自然对流速度，在块石层内达到0.08 m/s，在空心块石层内达到0.10m/s，在上边界为正温条件下，不存在空气流动，充分证实多孔介质的“热半导体”对流降温机理。在试验条件下，首次发现块石层和空心块石层内温度变化的非对称性和延迟性是由不同传热方式和传热强度引起。研究发现对流过程和温度变化过程是相互影响的过程，自然对流速度和温差具有线性相关性，在多孔介质中对流的发生存在一个启动温差，启动温度和多孔介质的空隙率及其垂向连通性密切相关，连通性较好的空心块石层启动温差是块石层启动温差的一半；首次通过实测启动温差验证块石层对流换热符合有限空间多孔介质理论，并试探性推导块石层的对流换热关系式，为定量计算热流量提供可能。空心块石降温效能影响因素研究发现，在试验条件下垂直堆放的大尺寸空心块石层具有较畅通的对流通道，其降温速度快且效率更，对流放热时间被明显延长，按1年时间来算15cm空心块的放热时间比10cm的放热时间延长约31d。
2、有关块石复合路基的现场试验研究：在降温效能方面，块石与空心块护坡复合新型措施试验研究结果表明，块石与空心块护坡复合路基和普通路基对比具有一定降温效能，在空心块护坡下阳面不存在波浪形温度线，冻土退化趋势得到抑制；块石与通风管复合新型措施试验研究结果表明，在块石层上边界铺设通风管降温效能相对突出，在块石层两侧封闭条件下具有相对开放条件下更为突出的降温效果。在对流换热方面，在块石层两侧开放条件下，在冷季块石层中在水平和垂直方向上都具有较大的对流速度，从温度分布来看水平方向的强迫对流热换热占主导地位，垂向对流换热作用较小，因块石层横断面通风距离长及阻力大，块石层上下部分存在不同传热方式的分层换热效应，致使下部块石层对流换热失效，并且路面向下的传热过程对块石层降温影响较大，当在块石层上边界铺设通风管显著改善了对流条件，对流速度更显著，尤其提高了垂向换热的作用，冷季的分层换热效应被消除，在开放条件下强迫对流速度及其换热强度与环境风向、风速大小及边界条件密切相关，在暖季热空气进入块石层内削弱了冷季的降温效能；在块石层两侧封闭条件下，在冷季块石层上下边界通过水平和垂直方向的空气对流进行换热，垂直换热比重较开放条件下更为突出，在暖季基本不存在对流，起到良好的隔热作用，两侧封闭不会受到暖季热空气对块石层的干扰，使得冷季的制冷结果得以保护、积累，这就是封闭条件下降温效能优越于开放条件的根本原因。块石与通风管复合新型结构将是高等级公路中解决路基热稳定性的首选措施，但从长远气候变暖的情况考虑，封闭结构更能有效储存冷能，保证路基长期热稳定性。
3、有关空心块石与通风管复合路基现场试验研究：在降温效能方面，该新型复合措施降温效能最为突出，且降温迅速，其调控效果是块石复合及以往所有调控措施无法达到的，即使在高等级公路极端的条件下也突显出优越的降温效能，是解决高温冻土区块石路基以及极端地质条件调控措施不足的替代调控措施。在试验条件下，路基原活动层中出现约一个月的-4℃温度场；经过一个冬季的降温，-1℃低温区域扩大了40％；原天然地面年平均温度比相同条件下的块石复合路基低0.88℃，较块石复合路基的降温效能提高33.5％。在数值模拟方面，该新型工程措施始终处于放热状态，20年后在路基-5m位置出现低于-2.0℃的温度区域，温度降幅达到1.55℃，温度降幅比相同条件下块石复合路基低约0.5℃左右。在自然对流方面，空心块石层中垂向对流速度复合正弦函数的变化规律，水平向对流速度随意性较强，在冬季水平自然对流范围为0.040～0.080m/s，垂向自然对流范围为0.022～0.030m/s之间。水平和垂向年平均对流速度之比为1.5:1，其对流换热机制和封闭块石完全相同，但垂向对流换热能力更为突出，在横断面上形成较多的“窝包”。
4、有关管道对流措施的现场试验研究：通风管路基具有一定的降温效能，且地温场存在明显不对称性，在强迫对流换热下原地面温度与普通路基相比温度降幅达到1.62℃，在通风管上铺设XPS板后有效阻隔了路面43.3％的热量，原地面年平均温度降幅比通风管路基提高了49.4％，并延长了通风管有效的制冷长度，有效预防地温非对称性。通风管管外壁和管心温度都为二次非线性关系分布，管心和管壁之间的温差是通风管降温的根本条件，随着管道流动空气和路堤之间的对流换热，管心温度逐渐升高，逐渐接近管壁温度，存在一个有效制冷长度。管道风速变化遵循正弦函数变化规律，管道内的主导风向是从路基阴面向阳面流动，约占全年时间的79.5％，首次研究发现主导风向是管道通风路基温度场非对称性分布及变化的根本原因，阴阳坡效应贡献居次要作用。在试验条件下，宽幅通风路基通风量有限，约为通风管的1/3，架空层内年平均气温高达0.02℃，虽冻土上限得到一定抬升，但阳面侧地温升高的趋势未得到抑制，降温效能未得到有效发挥，还需有待改进，改进方面在于提高架空层的通风能力。
5、有关新型空心块护坡的研究：在试验条件下，新型空心块石护坡坡面降温效能突出，但阴阳坡效应显著，阴阳坡坡面下0.5m处的年平均温度相差0.96℃，空心块铺设层数和降温效能密切相关，可调节铺设层数避免阴阳坡效应的不利影响。从现场试验和数值分析发现，在砂砾路面下，空心块护坡的制冷效果能抵消路面的不利影响，是一种满足砂砾路面应用要求及适合高原环境的新型措施，但随着时间推移存在明显的不对称性，建议通过增加阳面的空心块层数来消除阴阳坡的影响；在沥青路面下，路面的热效应占主导作用，坡面下地温调控突出，但路基中部冻土退化的趋势并未得到有效防治，呈现“驼峰”效应，应用中应注重路面热流的调控。如在路堤一定高度位置铺设保温材料来抑制路面热流，以此提高空心块护坡的降温效率。