为克服现有Winkler模型未考虑渠基冻土连续性的不足，引入Pasternak剪切层描述独立土弹簧间的相互作用，进而提出Pasternak冻土地基上梯形渠道冻胀力学分析方法。对基土均匀冻胀且无顶盖板约束的梯形渠道导出接触面法向应力、衬砌板冻胀位移及截面内力分布的解析式。以甘肃省某梯形渠道为例，应用本文模型和Winkler模型计算各衬砌板冻胀位移分布及接触面法向应力分布，并结合观测值进行了对比。结果表明：本文模型计算结果与观测值符合良好，且相比Winkler模型计算结果更接近观测值，能更加准确地反映衬砌冻胀位移分布规律，表明模型合理性。该模型能较好地体现法向冻胀力随衬砌冻胀变形的释放与衰减；法向冻胀力作用于坡板中下部且呈非线性、差异分布；中上部有脱开、翘起趋势而受法向冻结力作用；底板则只受法向冻胀力作用。研究结果可为梯形渠道抗冻胀设计提供参考。

为探究渠道衬砌与冻土接触面间存在的冻结约束、相对滑动与分离等接触作用对渠道衬砌冻胀破坏的影响,该研究以整体式U型渠道冻胀破坏监测试验为原型,构建了考虑接触和不考虑接触两类渠道冻胀模型,结合现场试验结果评估模型的合理性,并分析衬砌的冻胀变形与受力变化过程。结果表明:相比于不考虑接触模型,考虑接触模型的模拟结果更符合现场试验情况。在边坡处,考虑接触模型的法向应力峰值与试验监测峰值接近,不考虑接触模型的法向应力峰值可达前两者的3.3倍。试验与考虑接触模型的渠底法向应力基本为0,而不考虑接触模型中则存在持续增大的拉应力。现场试验的衬砌-冻土接触面间存在渠底分离与渠坡相对滑动过程,因此需由考虑接触模型模拟分析该过程。在试验与考虑接触模型中,渠底处衬砌与基土由于发生分离而产生空隙,此后悬空衬砌与渠坡基土发生相对滑动,释放了冻胀基土对衬砌的挤压力。考虑接触模型中的相对滑动改变了衬砌应力的发展趋势,由不考虑接触模型的“增力”变为考虑接触模拟的“卸力”。与不考虑接触模型相比,考虑接触模型的衬砌上、下表面正应力峰值分别降低了903%和164%,下表面切向力峰值降低了248%。在渠道冻胀模型中考虑接触作用更...

基于Winkler弹性地基梁理论及有限杆单元的思想，以单块预制板为研究对象构建其挠曲线微分方程并求解；在此基础上，考虑冻土-结构接触界面及预制板间填缝处的协调变形与相互作用，引入端部边界条件及板间连续性条件，同时砂浆填缝处弯矩为零，将多块预制板联系起来，构建预制混凝土衬砌梯形渠道弹性冻土地基梁模型。再由切向静力平衡条件导出切向控制方程并求解，最终获得衬砌板各截面法向冻胀位移与切向位移的解析表达式。以新疆北部某梯形渠道为例，对衬砌各截面法向冻胀位移、切向位移、接触面法向应力、切向冻结力及上表面应力进行计算。结果表明：本文模型计算的法向冻胀位移与观测值符合良好，与弹性支承法、杆系有限元法计算结果相比更接近观测值。上表面应力估算的易开裂范围与实地调查结果基本相符，表明了模型的合理性。由于存在不连续断面即砂浆填缝，衬砌板法向冻胀位移、接触面法向应力、截面弯矩和上表面应力均存在一定的起伏，出现正负交替现象。顶推力作用下坡板各截面均存在切向位移，且自坡脚向坡顶非线性减小，在坡顶达到最小值。

在季节性冻土地区,由于渠基土温度和含水率的差异,所引起的不均匀冻胀导致衬砌渠道破坏,严重影响了灌溉水利用效率。采用试验及统计拟合方法 ,针对不同温度及初始含水率的渠基冻土试样进行单轴抗压强度试验,分析冻土的应力—应变关系及力学性能,并对渠基土在冻胀过程中的力学性能提出基于温度、水分变化的预测模型。结果表明,渠基冻土的抗压强度随着含水率上升而增长,同时25%～35%含水率的冻土单轴抗压下塑性变形明显,峰值强度不显著；冻结温度和冻土的抗压强度呈线性关系,温度降低,冻土强度增长；低初始含水率（<15%）和接近冻结温度的冻土抗压强度最低。

隧道衬砌的服役性能对多年冻土隧道的安全至关重要。病害是影响衬砌服役性能的主要因素，多年冻土隧道衬砌病害主要包括隧道衬砌变形及开裂、隧道衬砌混凝土冻融劣化及隧道衬砌渗漏水结冰。隧道衬砌变形及开裂的主要原因有隧道环境、隧道设计及施工、衬砌材料等因素。病害防治措施主要包括建立可靠的防排水系统、采取合理的防冻保温措施及选用合理的衬砌结构等。通过选取合适的防治措施，可显著提高衬砌的服役性能。

为了研究冻土-复合土工膜-混凝土界面抗剪强度的形成及特征，进行了考虑抗剪温度、含水率、法向应力等因素影响下的直剪试验。建立考虑含水率、法向应力、冻结温度条件的冻土-复合土工膜-混凝土界面抗剪强度回归方程，为寒旱区刚柔复合衬砌渠道的抗冻胀设计和施工提供科学依据。

目前来看，在构筑物与土体表面粗糙度影响土-构筑物接触面间切向冻胀力方面的研究还较少，因此，本研究从川西季节冻土区渠基土-衬砌接触面的切向冻胀力问题出发，着重考虑衬砌表面粗糙度这一因素对接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角的影响规律和影响效应，并结合环境温度、含水率及冻结时长，利用正交分析综合探究了4种因素对接触面间峰值抗剪强度影响的相关性和显著性，结果表明：接触面间抗剪强度、黏聚力、内摩擦角随衬砌表面粗糙度变化呈现相同规律，即衬砌表面越粗糙，3项指标随即增大。正交分析中揭示了影响接触面间峰值抗剪强度大小最显著的因素是衬砌粗糙度，其次是环境温度和含水率，冻结时长的影响效应不显著，同时低温、低含水率、较长冻结时长、较高衬砌粗糙程度下的峰值抗剪强度越大。此项结果可为季节冻土区渠系工程防冻胀危害提供理论支撑。

中国北方冻土地区的灌区渠道多采用衬砌或者保温措施进行防渗抗冻胀，从而减少输水损失。依据近年来北方冻土地区常用的渠道衬砌形式，从取材和施工的难易程度等角度，对北方高寒地区新疆阿勒泰灌区农十师渠道3种抗冻胀措施的效果进行了研究，分别建立了混凝土、HAS固化剂固化粉煤灰和聚苯乙烯泡沫板(EPS)3种衬砌材料的本构模型。通过ABAQUS温度-应力耦合模拟，分析了3种抗冻胀措施的效果。分析结果表明：3种抗冻胀措施均能有效减少渠道冻胀变形，而HAS固化剂固化粉煤灰和铺设聚苯乙烯泡沫板削减冻胀变形效果更为显著；其中铺设聚苯板措施效果最佳，不仅使混凝土衬砌最大法向冻胀量削减了54%,法向冻胀力削减了74%,切向冻结力削减83%,而且使应力和位移分布更均匀，避免了应力集中现象的发生。3种防冻胀措施的效果为铺设聚苯板>HAS固化粉煤灰>混凝土衬砌。考虑到HAS固化粉煤灰可实现就地取材，从而得出HAS固化剂固化粉煤灰渠道衬砌适用于新疆等寒冷地区的结论。研究成果为寒冷地区渠道抗冻胀设计提供了有效参考。

冰-冻破坏是寒区冬季输水渠道结构破坏的主要原因,而目前尚缺乏准确的分析方法和评价准则。本文从冰盖生消过程中结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构冰冻破坏机理出发,考虑在冰-结构-冻土协同作用下,基于弹性地基梁Winkler理论推导了衬砌结构的挠曲线微分方程,分别建立了3个阶段衬砌结构的冰冻破坏力学模型,并结合相应荷载组合和边界条件对模型求解获得了衬砌结构的挠度、内力和应力的解析表达。应用该模型对南水北调京石段某输水渠道进行冰冻破坏分析计算,结果表明:结冰初期、流冰期和封冻期3个阶段衬砌结构的法向冻胀位移最大值分别为10.62、13.89和5.05 cm,对应3个阶段衬砌结构的截面最大拉应力分别为3.63、 4.11和2.05 MPa,且破坏位置均在冻结区坡板的中下部,与现场监测渠道冰冻破坏分布规律吻合。据此,建议寒区冬季输水渠道控制运用中应尽量缩短结冰初期、流冰期时间,延长第3阶段稳定封冻期时间,同时应合理控制地下水位和冰盖厚度。研究结果可为寒区冬季输水渠道抗冰冻设计提供理论依据和分析方法。

为解决河套灌区渠道混凝土衬砌冻胀破坏问题,该研究提出由聚氨酯和聚苯乙烯2种材料组成的复合衬砌结构,建立渠道基土水热力耦合数值模型,通过现场试验和数值模拟方法分析不同衬砌结构下基土地温、含水率、冻胀量及等效应力变化。结果表明:与无保温衬砌结构相比,阴坡聚苯乙烯复合衬砌结构和聚氨酯复合衬砌结构下基土最低地温分别提高67.1%和64.7%,最大迁移含水率分别减少8%和9%,最大冻胀量分别减少80%和81%,基土内等效应力明显减小。这2种复合衬砌结构具有保温效果好、冻胀变形小等优点,可作为寒区渠道保温防冻胀衬砌结构的选择。同时数值模型计算结果与试验值基本吻合,说明此数值模型可合理地描述渠道基土冻结过程中地温和冻胀量变化。研究可为寒区渠道防冻胀衬砌结构设计提供理论依据和参考。