为了维护冻土路基稳定性，提出了采用充填有相变材料的砌块铺设相变结构层抵抗下覆冻土融化变形的方法，通过数值模拟研究了相变结构层保护下覆冻土的效果。结果表明：相变结构层削弱了外部环境向冻土层中的传热，提高了0℃等温线位置，减小了冻土路基中的正温融化核，从而提升了冻土路基稳定性。

冻土层与气候变化、人类工程活动和社会经济发展具有极为密切的关系,尤其是在工程建设和安全运营方面存在着巨大的挑战,在冻土区域开展基础设施建设将会受到冻土消融及地层结构变化等要素的制约。本文通过建立数学模型,求解了冻土消融对基建工程引起变化的问题。从理论上能够追踪冻土消融问题影响工程建设的相变界面,为实际中的工程建设提供理论依据。

为了研究多年冻土表层的水热分布情况,在非饱和冻土的能量守恒方程和水分迁移的质量控制方程的基础上考虑冰水相变和水汽相变过程,并考虑水汽运移传热及温度势对水汽迁移的影响,建立了非饱和冻土的水-热-汽耦合模型。采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法可方便地计算它们的演化过程。为此,在计算中先求解能量守恒方程的含冰量及气态水含量,再对未冻水含量和温度场进行求解,从而实现了温度场与水汽场的耦合。在此基础上,模拟计算了第1类热边界条件下半无限空间介质内非稳态温度场、体积含水率及水汽通量的分布情况,并将计算结果与未考虑耦合的解析解进行比较,结果显示水汽耦合的作用不容忽略。最后,针对处于季节性周期温度边界下路基的水热场的分布情况进行计算。研究表明,相比于水-热耦合模型,所建立的水-热-汽耦合模型得到的计算结果更为接近实际监测结果,可很好地揭示非饱和冻土中的水热汽迁移特征及其相变过程。

冻土温度场分析对于冻土特性研究及冻土地区工程建设具有重要的作用,而冰水相变所产生的相变潜热大大增加了冻土温度场分析的复杂性。针对该问题,基于线热源模型和冻土传热基本理论,在考虑未冻水和相变潜热的情况下计算了冻土导热系数、体积热容和相变热容,分析其与测量初始温度的关系;在分析结果的基础上,对冻土含冰量的光纤测量技术进行了理论修正。基于主动加热光纤(AHFO)法,开展了一系列室内验证试验:在恒定的加热功率和时间下,采用自主研发的光纤光栅(FBG)刚玉管传感器,对同一初始含水量的冻土试样进行温度监测。结果表明:在本文试验条件下,FBG刚玉管传感器的影响半径小于5 cm,可以忽略边界效应;传感器所测温度增量与时间对数线性关系良好,主动加热对于冻土导热系数影响较小,线源模型适用于冻土导热系数测量;冻土导热系数与试验初始温度呈线性增长关系;在初始温度低于-6℃时,相变热容趋于稳定;在-6～0℃时,相变热容随温度升高逐渐增大,且变化趋势愈渐强烈;当初始温度高于-5℃时,相变热容甚至大于冻土自身的体积热容。相关结论为进一步提高冻土含冰量测试技术的精度提供了参考。

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...

为研究多年冻土区高温冻土的变形机制,分析了高温冻土与融土在物理力学性质方面的相似性,基于高温冻土具有未冻水量高、相变剧烈、压缩性大及渗透性相对较高的特点,尝试将其变形机理考虑为固结。在文中提出了一种移动区间法用以计算冻土融化固结,基于孔隙冰、水压力相互转化的融化固结模型,采用移动区间法模拟了融化区及高温冻土区的孔隙水压力变化。数值模拟结果表明:孔隙水压力分布曲线的拐点对应于相变温度,融土区由于渗透系数较大、排水条件好而使得孔隙水压力消散较快,相应的孔隙水压力较小;高温冻土区由于渗透系数相对较小,不能及时排水,因此孔隙水压力较高。

针对多年冻土区冻融循环作用下露天矿边坡开挖关键参数(开挖时间、开挖速度、开挖深度和开挖坡角等)的确定,以保证边坡安全、延长边坡使用年限为目标,基于木里露天矿边坡理想模型,采用含相变三场耦合简化算法,借助局部损伤度的分析方法,结合边坡开挖变形等系统地研究了边坡开挖的几个关键参数。结果表明:冻岩土体边坡主要为局部破坏且每年5—7月为危险月份;虽暖季开挖安全性略低但利于施工;同时一定程度上减缓开挖速度也有利于边坡后期的安全性;边坡开挖深度达到多年冻土下限时,局部损伤破坏最严重,可作为损伤和变形模式的转折点,而当开挖深度超过该限值后其破坏将与普通边坡相似,且坡高每加10 m开挖15年后变形平均增加170 mm;坡角增大虽变形有所增加但损伤度减小,则可适当地提高坡角来减少采剥比。研究结果对认识冻融循环作用下多年冻岩土区边坡安全、经济、有效开挖具有一定的参考意义。

在多年冻土热–力耦合数值模拟中,冻胀系数是二场耦合的关键热物性参数。现阶段大多学者均以负的热膨胀系数作为冻胀系数,仅考虑温度的变化,但冻胀系数实则受多种因素影响。以弹性力学为理论依据,在不考虑水分迁移引起土体冻胀的情况下,研究原位水分冻结引起冻胀过程中土体冻胀率η与冻胀系数α(T)之间的关系。综合考虑温度、土体泊松比以及不同土质在冻结状态下冰水相变速率等影响因素,推导出二者之间的关系公式。结合青藏高原清水河地区土质的实测基本物理参数,利用本文推导的公式计算冻胀系数并与传统计算方法相比较。结果表明考虑多因素的计算方法误差更小。能够在数值模拟中更准确地模拟土体由于原位水分冻结引起的冻胀过程。

为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。

多年冻土岛大多处于连续多年冻土和季节性冻土的过渡地带,沼泽化现象很普遍,对土壤热交换条件极其敏感。结合岛状冻土区土质条件及环境因素,建立饱和冻土多孔介质水热耦合模型并进行数值计算,研究水分迁移、冰水相变对冻土温度场和埋地原油管道非稳态传热的影响。对控制和减少因管基融沉导致的安全事故,保障管道长期稳定运营具有现实指导意义。