为研究多年冻土区铁路桥梁桥台冻胀倾斜病害的形成机理，并分析其变形规律，针对这一病害建立桥台-路基有限元模型，分析桥台后路基温度场特征及桥台冻胀倾斜规律。基于非饱和土渗流和热传导理论，联立冻土水热微分方程，并使用含冰量计算变形场从而实现水热力三场耦合。利用COMSOL软件建立三维桥台-路基水热力耦合模型，通过室内冻融试验验证该模型的有效性。最后以某多年冻土区铁路桥台为例，对桥台后路基未来30年间冻土上限、桥台冻胀倾斜展开研究分析。结果表明：在未来30年桥台后路基多年冻土上限呈现持续下降趋势，但桥台横截面冷空气的持续输入影响了路基不同位置处的冻土上限下降深度。在距离桥台4 m处路基多年冻土上限阳坡坡脚未来30年下降0.99 m、路基中心处下降0.92 m。在距桥台16 m处路基冻土上限阳坡坡脚未来30年下降1.6 m、路基中心下降1.81 m。在未来30年间，桥台后路基持续发生差异性水平冻胀，顶端累计水平位移155.6 mm、底端累计位移23.6 mm,桥台整体发生倾斜。

冻土渗透系数是冻土水热模型的关键参数。在当前数值计算过程中，多采用的是渗透系数经验模型，而经验模型的最大缺陷是其经验参数并不适用于所有土体。鉴于渗透系数理论模型具有较强的普适性，故考虑将渗透系数理论模型用于水热耦合计算。为评价理论模型的适用性，本文选取四组饱和冻土的渗透系数模型，以三个水热耦合模型算例为基础，通过比较渗透系数及冻胀变化趋势，对四组饱和冻土渗透系数模型的有效性进行分析。结果表明，理论模型预测结果受颗粒级配曲线及冻结特征曲线影响明显。四组理论模型均可以反映冻土渗透系数变化规律，而分形模型的预测效果最佳。推荐采用未冻水含量为变量，计算冻土渗透系数。研究成果可为准确预测冻胀提供基础。

为了更加精准地开展人工冻结法设计,以存在冻结管的冻土试件为研究对象,利用冻结管-冻土接触面强度试验数据为条件,建立数值计算模型,对不同工况下的冻土试块的应力分布及其服役性能进行研究。研究结果表明:在所有计算中冻结管-冻土接触面未发生破坏,且冻结管的存在会有效降低冻土试块的最大拉应力;在计算中单冻结管试件最大拉应力比无冻结管试件降低1 1%,双冻结管试件最大拉应力比无冻结管试件降低17%。冻结管对于抗拉性能的提升主要受其布置位置影响,冻结管规格对强化效果的影响相对较小,在设计中可以忽略。最终根据研究结果提出了同时考虑冻土帷幕厚度、平均温度及其内部冻结管布置高度的设计思路。

为了研究低温冻土地区软土路基蠕变变形规律,考虑低温和含水率对软土路基蠕变特性的影响,结合KBurgers-MC模型,建立了软土路基的蠕变损伤本构模型。利用C++语言编写了蠕变损伤模型动态链接库文件,通过FLAC3D软件对东港高速公路软土路基蠕变进行数值计算,计算结果表明:桩长对软土路基蠕变沉降有着重要的影响,增加桩长后软土路基蠕变沉降量、蠕变速率和塑性区明显减小;低温环境下含水状态的路基蠕变沉降值小于干燥状态,然而当含水率超过一定界限时路基会发生冻胀现象,导致蠕变沉降量增大;路基的蠕变速率随着温度的升高逐渐增大。将现场监测与数值计算结果进行比较,验证了数值计算的准确性,研究结果对于北方沿海软土路基蠕变沉降的防治具有指导意义。

为了快速准确掌握多年冻土边坡的冻融反应规律,基于水热力耦合理论,依托MATLAB编制了能反应土体多场耦合机制的有限元程序,与经典试验对比吻合较好,验证了程序的可靠性。据此开发了一套可独立运行、操作简便的多年冻土边坡水热力耦合分析软件,介绍了软件的功能和开发过程。结合算例分析了冻融作用下冻土边坡的反应特性,结果表明:不同时刻边坡的温度、水分、应力和位移有明显差别,在坡面冻融交界面出现剪应力最大值条带,边坡水平位移在冻结完成时,沿坡面大小基本相同,融化期结束时为上小、下大,融化时边坡的水平位移、未冻水含量均比冻结时大,而剪应力最大值却小;暖季多年冻土稳定性较差,开发的软件对冻土边坡工程冻融计算有重要应用价值。

为揭示青藏高原东部高温冻土区高速公路XPS保温板路基的人为冻土上限退化规律,确保高温冻土区路基的长期热稳定性,减小因人为冻土上限退化引起的路基病害,首先,利用现场地温实测资料分析高温冻土区XPS保温板路基地温的纵、横向分布特征,以及路基修筑初期人为冻土上限的退化特征;然后,采用非饱和土渗流与热传导理论求解冻土水热耦合微分方程,实现冻土水分场与温度场的全耦合,进而将水热耦合模型模拟所得温度场与现场实测温度场进行比较,以验证该模型的正确性;并分析XPS保温板路基在5种工况(包括填料类型、年平均地温、路基高度、XPS保温板铺设位置和气候变暖)下人为冻土上限的退化规律;最后,采用MATLAB分析影响人为冻土上限退化主要因素,进而对其进行多元线性回归,建立高温冻土区XPS保温板路基人为冻土上限计算模型。研究结果表明:XPS保温板路基左侧一定范围内温度比右侧对应范围的温度高;路基修筑初期人为冻土上限先抬升60cm,然后以10cm/年下降,冻土上限的变化导致深部冻土层存在一定幅度的升温;5种工况条件下,路基人为冻土上限与时间均呈线性增加关系;影响人为冻土上限退化的2个主要影响因素为填料类型和气候变暖...

以水热耦合模型为基础,依据风火山地区的气象资料,用ANSYS软件模拟一年中大气温度变化对浅层冻土的影响,确定格拉管线运行的自然地温环境。结果表明模拟值与实测数据基本吻合,且温度月变化随深度增加而渐趋平缓。继而以7月中旬的自然地温为边界条件,运用Fluent软件模拟0号柴油输送过程中的温降变化。结果表明:温度为11℃的0号汽油流经48 m长的管路,最大温降约为5.5℃,且沿程温降模拟值与轴向温降计算式的计算结果基本相符;以0℃为边界温度,模拟了入口温度为0℃柴油的黏性增温效应,结果显示,流经48 m长的管路,油流的黏性温升约为0.000 8℃。

在全球变暖的背景下,利用有限元法对多年冻土区高等级公路路基温度场进行数值模拟研究。分析路基高度分别为2.0,3.0,4.0,5.0和6.0 m时路基高度与路基下方冻土上限的关系,分析路面宽度分别为14.0,16.0,18.0,20.0和24.0 m时路面宽度与路堤内和基底融化夹层面积的关系。研究结果表明:在影响路基下方多年冻土上限和融化夹层面积的各因素(路基高度、边坡坡度和路面宽度)中,路基高度对冻土上限的影响程度最大,路面宽度对路基内和基底融化夹层面积的影响最大;冻土路基在20 a的设计使用年限内合理高度为4.26 m;冻土路基在不采取"冷却地基"措施的情况下,在20 a的设计使用年限内,路面最大宽度为6.0 m;当路面宽度为12 m时,分幅路基的合理间距为35.3 m。

在冻土区管道建设中埋地管道周围温度场与水分场的预测十分重要,其中数值模拟计算可以很好的预测。文中总结了国内外学者在管道周围温度场及水分场耦合作用与土壤温度场的研究进展,分析提出在对埋地管道周围土壤温度场进行数值模拟方面的建议。

用透水土工布包裹道砟碎石填筑的截排水纵向盲沟,是哈尔滨-大连高速铁路(简称哈大高铁)在大开挖路堑段采用的重要的防冻胀工程措施.由于碎石层在顶部温度较低时,其中发生对流换热过程而强化对其下部土体的降温作用,可能导致盲沟底部冻结而影响其防冻胀效果.通过数值仿真软件分析了排水盲沟的温度状况,结果表明:对于哈大高铁的气温环境,在不考虑积雪影响的条件下,将发生盲沟底部排水管冻结积冰,影响纵向盲沟防冻胀效果的问题.在盲沟顶土层中加设0.1 m保温板能够提高盲沟底部的最低温度,推迟起始冻结时刻,缩短冻结时长,但不能完全避免盲沟底部排水管的冻结问题.在有表层保温板的条件下,在盲沟底部换填砂层虽然不能提高盲沟碎石层的温度,但却能有效提高盲沟底部的温度.复合措施可以有效解决盲沟底部冻结的问题.