冻胀融沉作用引起的地基土体变形是冻土地区工程建设的典型地质灾害，光纤传感技术为冻土变形的精细化、分布式实时监测提供了重要的技术手段。为探究分布式光纤应变传感在监测冻土变形方面的可行性，利用自主研制的光缆-冻土界面力学特性试验仪，探究了不同干密度和初始含水率的冻土试样中缆-土界面的破坏机制。试验结果表明，光纤应变监测结果准确地反映出缆-土界面呈现渐进性破坏特征，应变软化模型能够较好地描述界面的力学特性。在冻结过程中，土体内液态水相变成冰，引起了冻结锋面移动和水分迁移，使得界面的力学特性存在显著的差异性。不同深度处缆-土界面剪应力的演化过程反映了在光缆拉拔过程中与冻土的变形协调状态，表明光缆测量范围、界面耦合性与土体干密度、初始含水率密切相关。该研究为光纤传感技术在寒区冻土地基变形监测中的应用提供了参考。
路基作为公路工程的基础结构，其填料质量很大程度上决定了公路工程的使用寿命。然而，季节冻土区的复杂环境将劣化该区域路基填料的性能。因此，选取适合当地环境的路基填料是增加路基使用年限、减少病害的重要前提。为了提高路基填料的适用性，需要针对不良路基填料进行改性，从而获得路用性能良好的路基填土。首先总结了季节冻土区公路的主要病害类型，分析了物理改良、化学改良、生物改良技术的适用范围和改良机理，探讨了采用不同特征参数(静力学特征、动力学特征以及抗冻融性能)作为评价指标的优缺点。然后，基于季节冻土区道路工程面临的路基病害问题，从施工方便、节约成本、保护环境等方面考虑，提出针对季冻区不良路基填土改良技术的研究建议，为今后的研究工作提供参考。
季节冻土区高速公路路面的大面积覆盖层使得路基填料内部水分在外界温度梯度和路面隔水作用下向上迁移并累积,加剧了路基的冻胀和融沉危害.通过室内试验,重现了季节冻土地区路基覆盖效应形成过程,建立非饱和土的"水-汽-热"模型,仿真分析中国兰州某地区不同路基填料覆盖效应形成过程和差异.结果表明,季节温度作用下土体水分向不透水层底部聚集,且聚集现象随着冻融循环次数的增加而加剧;当路基填料分别为砂土、粉土和粉质黏土时,由于填料导热性能和持水性能的差异,最大冻结深度分别为1.21、0.97和0.89 m;不同覆盖层下的水分运移均以水汽为主,以粉土作为填料时的水汽迁移现象最明显,砂土、粉质黏土和粉土填料路基对应的水分迁移量分别为0.68%、2.86%和12.56%,三者水分聚集深度依次变浅.可见在已有的粉土路基工程中应重点防治水汽迁移引起的路基病害.
为研究冻结过程中土、水和冰三者之间的相互关系,建立了基于冻土骨架的导热系数计算模型.骨架模型由土骨架和冰骨架,以及土、水、冰三相之间的相互关系构成.当温度降低至起始冻结温度时,远离土颗粒的孔隙水最先冻结成冰核;随温度降低,冰核逐渐扩张形成贯通的孔隙冰骨架,冻土中的未冻水则存在于土骨架与冰骨架之间.根据球缺接触的土骨架理想化模型,提出了土骨架与冰骨架相互独立,土骨架与未冻水、冰骨架与未冻水相结合的混合传热模式,建立了饱和冻土的复合传热模型及冻土的导热系数模型,计算得到0℃以下冻土的导热系数理论值.分别将导热系数理论值与Johansen法计算值、混合流法计算值和瞬态法的测试结果进行对比,结果表明,复合传热法的计算值处于Johansen法和混合流法的计算值之间,其整体计算精度优于Johansen法,且计算值与实测值相对误差在10%以内.
冻土是高原交通工程不可回避的问题,冻土研究不仅涉及土体结构,还涉及温度和含水量对土体的影响,目前,冻土问题理论研究进展比较缓慢,是岩土领域研究的热点和难点.根据材料集合状态理论的思想和方法,建立了冻土材料的宏-微观模型.在宏观上建立了以冻土材料结构强度、刚度、塑性应变及孔隙比、饱和度、温度为参量的冻土材料结构状态集合函数的控制方程;在微观上建立了以土颗粒、冰、水为结构要素而形成的微结构元集合.通过以冻土材料的强度、刚度和结构应变为宏观约束条件,找到所有可能的微结构状态及其分布,以此为基础,建立冻土材料宏观参量与材料微观特征参数之间的关系.在一定的简化条件下,得到了冻土材料的状态集合函数的解析表达式,并由此形成冻土材料的强度准则、流动法则和应力-应变关系.
为认知冻土导热系数测试和计算方法的研究现状,从而服务于冻土温度场的计算,介绍了冻土导热系数的研究背景和导热系数对冻土温度场的贡献,并对冻土的组成和导热系数随不同负温变化的原因进行了分析。阐述了目前冻土导热系数的测试技术、计算方法、理论计算模型及土中固相矿物导热系数的确定方法,并分析了其优缺点和误差存在的原因。对冻土导热系数随温度、干密度、含水率等因素变化的研究成果进行了整理,分析了基于测温法确定冻土导热系数存在的误差及其原因,并初步提出了一种修正冻土导热系数测试结果的方法。在此基础上,提出了对冻土导热系数测试和计算的建议和展望。结果表明:温控环境和测试过程中的相变热对导热系数实测值均存在影响,从未冻水含量的角度修正相变潜热对导热系数测试过程的影响具有理论可行性;线性回归预估模型应考虑土质对测试值的初始影响,从相间热量平衡的角度建立导热系数的理论模型,对于温度场解析问题的研究具有重要作用;考虑土颗粒的多孔特性,推演不随密度变化的土中固相物质导热系数的确定方法,对于提升冻土导热系数计算模型的预测精度具有基础作用;从微观角度出发,建立能够反映土体冻结速率的导热系数模型应是冻土导热系数研究区别...
考虑未冻水含量随不同负温变化的事实,结合混合量热法中相变潜热对冻土比热测试值的影响,建立了基于比热的冻土未冻水含量反演算法。依据比热具有按各成分质量可进行加权叠加的性质,将相变阶段某一温度点的冻土比热视为冻土骨架、液态水和固体冰三相的比热加权之和,同时还考虑了该温度点未冻水变化率所需潜热的影响,在此基础上导出了根据冻土比热反演其未冻水含量的方法。将冻土相变阶段一定温度下的比热视为冻土骨架、液态水和固体冰比热的加权总和。采用混合量热试验测量了某冻土试样的未冻水含量,并利用本文给出的反演算法计算了相应的未冻水含量。两种测试结果的未冻水含量变化趋势相同,即未冻水含量随着温度的降低逐渐减少,且递减趋势逐渐减弱;与混合量热试验方法相比,本文给出的算法得出的未冻水含量略高,这主要是因为新算法考虑了相变潜热的影响,因而理论上更为合理。
基于饱和冻土的三相组成和导热系数量纲定义,将冻土简化为由土柱、液态水、冰柱组成的混合物,进而建立了冻土导热系数的几何模型。考虑实际冻土中三相组成的含量随温度变化而不断变化的事实,给出了随温度变化的水柱和冰柱体积计算与演变规律。在此基础上,利用并联体系导热效果的叠加原理,给出了随温度变化的冻土导热系数计算模型。基于热流传递过程中并联与串联同时进行的耦合特性,建立了考虑固-液界面的导热系数计算模型。将预测值与瞬态探针法的实测结果和Johansen法的计算结果对比后发现,该类计算方法能有效模拟不同负温条件下冻土的导热系数,并且具有概念清晰、方法简单等特点。
为评估热参数对饱和冻土瞬态温度场的影响,分析冻土温度场的影响因素,提出一种最紧密排列的土柱几何模型,土柱外部被自由水充满.假定冻结在土柱围合区域的中心产生并呈柱状发展,根据任意时刻单元体内部土、水和冰的体积构成,依据Johansen的预估土体导热系数计算方法,建立未冻水含量与导热系数之间的计算关系.依据比热加权计算的原理,结合土体的相对密度及水和冰的密度,获取了土柱模型在不同冻结时刻各相的质量比,确定了未冻水含量与比热之间的计算关系.依据不同冻结时刻土柱模型中的未冻水含量,建立潜热随冻结时刻的变化关系.根据实测粉质黏土的导热系数,结合土柱模型获取其比热、潜热随温度的变化关系.将获取的不同温度下的导热系数、比热和潜热值代入数值计算软件ABAQUS,获取了冻土温度场的计算值.将该计算值与实测值进行对比,表明基于该模型获取的计算热参数值能够较好地预测冻土温度场.
为了应对在青藏铁路建设桩基础设计中由于未来气候变暖可能导致的冻土融化及承载力下降问题,以传热学理论为基础,建立了冻土地基单桩地温场的热分析模型,采用有限单元法考虑裸露桩基表面吸收太阳辐射的同时,在大气自然对流换热、冻土相变、气候变暖等条件下,计算分析了典型湿润性永久冻土区在未来30年单桩地基桩土体系的温度变化及其长期承载力的变化趋势。研究结果表明:地表以下3～20m在2010～2040年30年间,天然地温与桩土体系温度随着时间均有升高,单桩承载力在未来时间内有降低趋势;2040年夏季桩基承载力较2010年同期下降了41.5%,冬季桩基承载力较2010年同期下降了28.6%;在未来的寒区桩基础设计中应充分考虑这一"动态因素",对于目前已建成桩基础,提出合理有效的提高桩基承载力的措施是解决这一问题的关键。