内蒙古大学合作申报甘肃省科技进步奖公示材料
项目名称：寒区工程多物理场耦合理论与长期安全保障新技术
申报奖种： 甘肃省科技进步奖一等奖
推荐单位： 甘肃省住房和城乡建筑厅
主要完成单位：兰州交通大学；中国科学院寒区旱区环境与工程研究所；兰州大学；西京学院；内蒙古大学；中国地震局兰州地震研究所
主要完成人：李双洋；刘德仁；裴万胜；蒋代军；王冲；徐湘田；牛亚强；何菲；张熙胤；罗滔；翟玮；喻文兵；张淑娟；刘志强；陈志敏
成果简介：
我国寒区分布广泛，约占国土面积的76%。寒区工程系统中发育着复杂的水热力等多物理场相互作用过程，导致寒区工程中存在特有的冻融病害。随着全球气候变暖和人类活动加剧，寒区工程冻融灾害日趋频发，严重降低了寒区工程的服役能力。为此，中国科协已将“冻土地区铁路公路修建”列为中国待攻克的60个重大科技难题之一。为探究寒区工程冻融灾害演化特征、多场耦合理论及防治技术，为重大寒区工程的建设、管理与养护提供科学依据，本项目针对寒区主要工程结构（路基、桥梁、隧道、渠道及管道等），创建了寒区工程成套多物理场耦合理论与计算平台，研发了系列工程防治技术，在提升寒区工程计算理论与技术水平方面取得了以下主要成果：
1、研发了复杂环境下岩土材料多物理特性测试技术，揭示了岩土类多孔材料相变过程中水热盐参数演变规律及滞回机理，构建了冻融循环下岩土体多物理场耦合理论的水热盐物理指标体系。剖析了正冻土体水热力的变化过程及耦合机制，提出了土体冻胀速率、温度梯度和外界压力之间的动态影响关系，确定了调控土体冻胀速条件率的主要因素，解决了寒区工程计算时多场耦合机制不清楚和物理力学参数不确定的难题。
2、建立了可统一描述冻融岩土复杂耦合行为的理论模型，提出了一般应力空间中冻土热力学本构建模方法，为剖析冻土的复杂热力耦合特性提供了的理论基础和建模方法。试验确定了冻土应力应变与温度和应变率之间的数学关系，构建了耦合温度与应变速率的冻土弹塑性本构模型，准确描述了温度和荷载历程对冻土弹塑性变形行为的作用机制；基于不同温度下的冻土大样本试验，发现了冻土主要强度指标的概率统计规律，建立了冻土统计损伤本构关系，揭示了冻土细观损伤演化机制与宏观非线性本构行为之间的内在联系，开辟了寒区工程复杂应力条件下冻土热力学本构建模的新途径。
3、构建了冻融岩土水热盐力耦合模型，给出了完备协调的数值方程，开发了寒区工程多物理场（流变）耦合计算软件，突破了国内外尚无寒区工程长期稳定性计算平台的科技瓶颈。为解决寒区工程瞬时动力灾害问题，建立了冻融岩土水热动力相互作用理论，研制了首款寒区工程水热动力数值仿真软件，破解了寒区工程结构的动力响应计算难题。提出了随机环境下冻融岩土水热耦合数值计算理论，研发了寒区工程与环境随机水热耦合计算系统，解决了不确定性气候变化条件下寒区岩土随机水热耦合模拟与演化评价问题。
4、基于自行开发的寒区工程成套多物理场耦合计算平台，研究了全生命期复杂工况下寒区路基水热力相互作用过程，确定了路基的静、动力动态响应规律和稳定性劣化机理，研发和示范了系列寒区道路稳定性调控新技术，提升了冻土路基的长期服役性能。阐释了长期冻融环境下寒区隧道结构水热力多物理场演化规律，揭示了隧道洞口边坡热融滑塌机制，提出了围岩反复冻融控制技术和设计对策，为寒区隧道的长期安全运营提供了技术支撑。计算了寒区长距离输水渠道水热力及水热动力过程，揭示了渠道的冰冻害发生机理，提出了低温环境下输水渠道的安全运行保障技术，为寒区水利工程的设计与运维提供了理论基础和技术参考。揭示了正温输油/气环境下管-土结构能质转换过程，阐明了管道冻融病害的发生机理及控制因素，提出了不同热力环境下管道病害控制对策，为保障寒区油/气管道的安全输运提供了关键技术。
研究成果为青藏铁路/公路、涩宁兰输气管道等工程的安全维护、结构补强及病害整治提供了科学依据和技术支撑，为共玉高速、兰新高铁、引洮工程等国家重大寒区工程的顺利建造和安全运营提供了理论基础和技术保障，取得良好的经济效益和社会效益。
以上内容公示期为7月10日—7月18日，如有异议，请与科学技术处联系，电话：4992258 4994082 。
科学技术处
2019年7月10日
