成 果 简 介

应用场景

我国东北地区分布着多年冻土区和深季节性冻土区。涎流冰是冻土区广为发育的一种地面冰体，是北方林区的主要冻害，特别是林区道路受涎流冰的破坏较为严重。同时，受全球气候变暖以及人类活动加剧的双重影响，冻土区在水文、气候、资源、环境和生态等方面都在经历深刻变化，冻土区的土壤盐碱化风险不断加剧，污染问题日益凸显。冻土区的污染同样会危害地表和地下水质，对冻土区的道路路基稳定性造成一定程度的破坏，对生态系统的可持续性都会带来了重大威胁。季节性冻土区的盐碱化则会严重影响森林植被的生长和可持续发展。随着振兴东北老工业基地以及“一带一路”等一系列国家重大战略部署，森林道路的施工以及冻土区基础工程设施建设将陆续开展，盐渍化冻土将使得工程的稳定性面临新要求和挑战。

本案例旨在解决在高寒林区进行道路路基工程施工的施工方案问题，提供如何防止路基修建后的冻融沉降，减少路基病害等施工中面临的重要问题的创新技术及理论依据。

主要解决的问题

利用基于分数阶微分方程的数学基本理论，建立分数阶动力学方程模型，刻画林区土壤中水-热-溶质的耦合迁移过程。对于分数阶偏微分方程构造适合实际应用的可靠、便捷、快速、易操作的数值算法。利用Matlab对数值算法进行编程并集成数值模拟工具包，再结合实验数据深入了解和系统的认知林区土壤溶质运移的过程和一般规律，对地下水位、土壤含盐量及地下水矿化度进行预测，及时了解水盐变化过程。基于数学模型的结论给出高寒林区进行路基工程的施工技术方案。

技术要点

针对林区特殊土壤中水-热-溶质的耦合迁移机理进行的基础性研究对于指导林区道路施工技术具有重要意义。对于土壤中溶质迁移规律的科学有效的研究方法之一是对土壤中溶质的扩散和迁移进行数值模拟。由于分数阶导数模型能够准确刻画反常扩散的历史依赖性和空间非局域性，已经成为研究冻土溶质迁移规律的一种新颖的数学物理建模手段。

利用待施工的林区土样作为实验用土，在完成基本物理力学性质实验的基础上，进行室内单向冻结实验。利用冷浴循环仪来控制试样顶端和底端的温度，利用传感器实时监测试样垂向不同深度处温度、含水率和含盐量变化，为模型验证和后续研究水-热-溶质迁移规律提供实验数据支撑。采用新建立的分数阶数学模型模拟各观测点在各观测期的土壤盐分的重分布过程。通过将模拟计算的结果与实验观测值比较，验证分数阶数学模型的合理性和准确性，并进一步分析和评估模型在冻土的不同过程之间的通用性和灵活性。利用分数阶微分方程模型及其快速数值算法模拟溶质在冻土中的迁移过程，分析冻土中的水-热-溶质的迁移转化的一般规律以及水分、热量和溶质迁移的交互影响。根据林区的地质条件、特殊气候环境特点、工程特点、工程数量、工期和环保要求，在数学模型结果的指导下确定施工方案。

应用成效

基于数学模型的寒区盐渍化森林道路施工技术，将通过数学方法量化林区道路施工过程中的水分、盐分、温度等参数，利用数学方法对路基稳定性进行准确预测，结合施工经验形成特殊土壤的道路施工技术。该技术取材方便，结构简单，能够提高路基工程质量和工程使用寿命。期望能在实践中取得经济效益和良好的社会效益。

适用范围

该案例适用于寒区森林道路的施工，也可以通过修改参数推广到其他多年冻土区和深季节性冻土区等特殊土壤环境和温度环境下的道路施工，为企业进行冻土区的道路工程设计、施工和后期维护提供科学理论依据。

联 系 人：孟庆焕

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