我国西北地区被季节冻土全覆盖，且近年来该区域地震频发。为研究我国西北地区季节性冻土场地的地震反应特性，开展了季节性冻土场地振动台试验，并建立了不同冻结深度的三维实体有限差分模型，对比分析了不同地震激励作用下的季节性冻土场地的地震反应特征和土体的动剪应力—动剪应变规律。结果表明：在地震激励下，冻土层的存在虽然有效抑制了地震动能量，但冻结期场地的水平位移与非冻结期相比明显较大，且竖向位移呈显著的层状震陷特征；冻土场地的峰值放大系数呈先增大后减小然后再增大的规律，并且冻土层深度越大其峰值放大系数越小。此外，通过土体的动剪应力—动剪应变关系可以发现，冻土场地地震反应具有明显的非线性特征，且冻土层的存在对地震能量具有一定的削弱作用。

天然气水合物是一种具有巨大潜能的新型能源，研究冻土区天然气水合物的地震响应特征，对我国陆域天然气水合物的勘探和开发具有重要意义。本文运用Kelvin粘弹性介质模型，基于祁连山冻土区的实际地质地层条件，建立理论地质-地球物理模型；采用交错网格有限差分法进行正演数值模拟，并对自激自收地震记录进行波场特征分析和提取瞬时地震属性。研究结果表明：地震波通过天然气水合物地层时，反射振幅能量较弱；在瞬时频率属性剖面可分辨层厚的范围内，瞬时频率随着层厚增加，频率在小幅度衰减；地震波通过含天然气地层时，反射波表现为强反射特征，瞬时频率能量明显增大；瞬时地震属性对波阻抗界面有更好的分辨能力，特别是瞬时相位属性剖面，作用明显。因此，综合分析波场特征与瞬时属性特征可以为陆域天然气水合物的识别、预测提供依据。

为研究多年冻土地基冻结过程中桩基础的冻拔效应，基于桩周土的冻胀变形及桩土之间的变形协调关系，结合剪切位移法构建了一种考虑桩土界面相对滑移效应的单桩冻拔荷载传递的理论模型.采用有限差分法，通过MATLAB编程对桩基受力微分方程求解，获得了冻拔力的发展规律，并采用现场试验与有限元数值模拟验证了模型的合理性.接着分析了冻胀率、桩土界面本构参数及桩长对桩基冻拔响应的影响.研究表明：冻结过程桩身轴力逐渐增大，冻深附近出现轴力峰值，部分桩土界面会产生滑移；冻至最大冻深2.3 m时桩身轴力达到最大值690.3 kN,滑移段长度约为0.65倍冻深；冻拔力随土体冻胀率的增大并非呈线性增大，主要受桩土界面峰值剪切强度与残余强度的影响；桩长越长，抗冻拔效果越好.

针对多年冻土区L型挡墙设计中水平冻胀力计算方法不完善的问题，基于利夫金地基模型及挡墙-土体之间的协同变形原理，分别建立了墙后有无换填土两种情况下的L型挡墙水平冻胀效应计算模型，利用叠加原理及有限差分法对所提出的计算模型进行了求解，并依托MATLAB自行编制了水-热-力耦合分析软件。结合工程实例，应用提出的L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力值分别与现场实测值、修正土压力值、规范经验值及水-热-力耦合软件模拟值进行对比分析，结果表明：提出L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力值与现场实测值及数值模拟值在大体趋势上吻合较好，修正土压力值、规范经验值低估了水平冻胀力对挡墙的作用；相比规范经验值及现场实测值，提出的L型挡墙水平冻胀效应计算方法得到的水平冻胀力沿墙高呈抛物线和梯形两种分布模式，更具有普遍性；通过多场耦合分析可知，所提出L型挡墙水平冻胀效应计算方法与水-热-力耦合方法得到冻胀力趋势相似，表明了计算方法的可行性，可为多年冻土区L型挡墙设计提供一定的理论支持和指导。

为研究不同冻结温度及含水率对冻结粉土中锚杆抗拔性能的影响,根据冻土与混凝土接触面的力学特性和变形规律,采用双曲线模型描述锚杆-冻土接触面的剪切特性。基于荷载传递法,建立考虑温度和含水率影响的锚杆荷载传递方程,采用有限差分法进行求解,得到锚固段的剪应力、轴力及承载力计算式;通过ABAQUS数值模拟验证荷载传递方程的合理性,结合算例分析表明:冻土中锚杆抗拔承载力大于常温土,且温度越低承载力越高;在相同荷载作用下,冻土温度越低,轴力沿深度衰减越快,剪应力分布越不均匀;相同冻结温度下,锚杆承载力随含水率的增大呈先增大后减小的趋势;增加锚固体直径能有效地提高锚杆的极限承载力。

针对冻结工程灾变过程中渗水孔隙等灾害源在地下水热流侵蚀作用下逐渐扩展的过程进行了研究,在一定假设条件下建立了柱坐标系下基于对流换热边界条件(第三类边界条件)的相变传热数学模型。在对原偏微分方程无量纲化处理后,采用了对数形式分布的热积分平衡方法(HBIM)求解;对于同一问题,在变量代换的基础上采用了基于乘方定律格式的有限差分数值方法进行了求解。对于侵蚀相变位置的求解,两种方法的计算结果吻合良好,在计算的时间范围内,两者最大偏差不超过1%。研究结果表明:史蒂芬数St、毕渥数Bi、以及过冷系数φ为侵蚀相变界面位置随时间变化规律的主要影响因素;在不同参数组合情况下,侵蚀相变位置随时间均呈现出近似线性变化规律;在其他参数不变的条件下,St,Bi增大一倍时,侵蚀相变速率均增加一倍左右,而φ增加一倍时,侵蚀相变速率仅减小了5%。进而说明在实际工程中,降低冻土的平均温度能够减缓侵蚀相变速率,但作用十分有限;相反,降低水流温度或者减缓水流的流速等措施则能够有效减缓水流侵蚀速率。利用本文结果预测实际冻结工程灾变过程时,需考虑土壤性质的不同以及地下水温度、对流换热系数等随孔径变化带来的影响,可将由本文方法得...

为研究冻土区工程水热分布规律,基于不饱和土Richards方程推导出了冻土水热变化的耦合关系式。应用有限差分原理进行离散化,编制计算程序,对中俄输油管道漠大线进行模拟。通过模拟结果与实测数据对比验证了应用模型计算程序的可靠性。应用程序分别对冻土区路基与埋地管道的水热分布变化进行模拟分析。对于冻土区斜坡路基:冻土斜坡路基的融化界面随时间增加而逐年降低,融化界面与水分富集层位置相近,均呈倾斜分布,影响斜坡路基的稳定性。对于冻土区埋地管道:管道长期运营加剧其周围多年冻土上限下降,管道附近10年后的下降约为天然情况下的4倍。

为了研究土体冻结过程中温度传导与水分迁移的变化,在不饱和土理查德斯方程的基础上考虑相变作用建立了一维土体冻结过程的水热耦合模型。分别应用有限差分与有限元方法对模型进行离散化,得到两种方法各自的数值计算程序。同时对土体室内单向冻结实验进行模拟,将两种数值方法得到的土体冻结深度、冻结速率与温度变化分别与实验结果进行对比。结果表明:对于一维冻结问题,有限差分模拟更接近实验结果,有限元模拟具有更高的计算稳定性。

为了深入研究积雪覆盖边界条件下的土壤水分迁移规律,通过冬季野外土壤水分观测试验,利用土壤水动力学理论,建立了稳定积雪覆盖条件下季节性冻土水分迁移模型。研究结果表明,积雪覆盖土壤比裸地平均地温高出1℃,土壤体积含水率(土壤剖面0～100cm内)高出2%,体现了积雪覆盖不仅能够阻碍土壤热量散失,而且能保持土壤墒情;建立的水分迁移模型能够精准的模拟积雪覆盖条件下冻结土壤水分迁移动态,其相对平均误差仅为3.51%。研究结果对于丰富和完善冻土水分迁移理论,解决春旱和冬小麦"冷拔"等问题具有重要的理论和实践意义。

基于Harlan一维水热耦合模型对多年冻土地区水分场、温度场耦合计算进行探讨,建立了水热耦合二维物理模型。对该模型采用伽辽金有限元法和隐式有限差分数值离散,结合某实际高原铁路路基工程进行数值计算,分析了修筑铁路路基对原天然路面热稳定的影响,并对未来十年内全球气候变暖对路基的影响进行了数值模拟,考察了多年冻土上限的变化情况。结果表明:铁路路基改变了原天然地面的传热形式,因而有条件地提高了路基下多年冻土上限,而全球气候的变暖,将对建筑在多年冻土上的铁路路基热稳定性产生影响。