为研究冻土一维热传导问题中温度场的模型试验相似准则，本文创新性的提出了基于微分方程解析解求取相似准则的方法。首先采用分离变量法，得到了一维非线性热传导方程的解析解。在此基础上，利用相似转换法推导出了考虑热交换和不考虑两种情况下冻土模型试验的相似准则。最后利用有限元软件ABAQUS对得到的相似准则进行了验证。结果表明，在不考虑热交换的情况下，时间的相似常系数始终是几何尺寸相似常系数的平方。当考虑热交换情况时，模型试验必须采用与原型不同的土体，此时得到的相似准则更具有理论意义和实际价值。该研究成果充分考虑了热传导过程中的边界条件，有望为非线性热传导问题的研究和模型试验设计提供理论参考。
冻土在我国分布十分广泛，冻胀现象是冻土区经常出现的问题，其导致的工程病害屡见不鲜。冻胀主要是由土体内部温度变化及水分迁移造成的，是一类极其复杂的温度、渗流及应力多场耦合问题。通过对冻土中的温度场进行分析，求解含冰量及孔隙率随温度变化条件下的冻土一般性瞬态热传导方程，获得其近似解析解并应用于冻土热传导过程的预测。通过与有限元计算所得精确解对比，验证其有效性。研究成果对冻土冻胀问题的深入研究具有一定的理论和实践意义。
地震波的放大或衰减受场地条件的影响,因而选择符合实际情况的场地模型来分析地震地面运动极为重要。为了研究西部高寒地区冻土场地的地震地面运动特征,基于弹性波在单相弹性介质与冻结饱和多孔介质中的传播理论,建立了P波入射下基岩上覆饱和冻土自由场地模型,求得了平面P波入射情况下基岩上覆饱和冻土自由场地地震地面运动的解析解答。通过数值计算,分析了平面P波在不同入射角度下,入射频率、孔隙率、介质温度、胶结参数和接触参数等物理力学参数对饱和冻土自由场地地震地面运动的影响规律。分析结果表明:平面P波的入射频率对基岩上覆饱和冻土自由场地地表位移有显著影响。基岩上覆饱和冻土自由场地的水平位移随着平面P波入射频率增大而减小,竖向位移随入射频率增大而增大;孔隙率的增大也会导致饱和冻土自由场地水平位移增大,但其增幅随着平面P波入射角度的增加先增大后减小,竖向位移也增大,但增幅随入射角度增加逐渐减小;冻土场地中介质温度的降低会导致饱和冻土自由场地的水平位移和竖向位移减小。这表明冰相对于冻土场地中地震波传播具有重要影响;此外,泊松比也会对自由场地的位移产生一定影响,水平位移随泊松比增大而减小,增幅随平面P波入射角度增...
为优化冻结方案、准确掌握人工冻土温度场发展状况、处理紧急情况，需要了解变热工参数对人工冻土温度场的影响。以圆形断面为计算断面，在特定的温度场定解条件下，假定变热系数随径向按照一定规律变化，从而推导了平面极坐标下人工冻土温度场方程的解析解，得出了三种不同变化形式下的温度场变化情况，并可以根据算出的温度场方程反推冻结冰峰移动情况。
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。
为保障冻胀土地基条件下有轨电车运营期安全，需研究列车移动荷载作用下季节性冻土环境下有轨电车轨道的动力响应。依托张家口崇礼奥运赛区有轨电车项目，选取典型黑色黏土为代表性冻胀土体，重点测试了温度变化时该土体的水力特性及力学行为；将有轨电车轨道简化为无限长均质直梁，将地层考虑为Pasternak双参数地基，基于Euler-Bernoulli梁理论推导列车荷载作用下轨道动力响应的解析表达式，通过参数化分析研究土体冻融行为对轨道动力响应的影响规律。结果表明：季节性冻融行为会对有轨电车动力响应产生影响，且随着地基土温度的升高，土层动刚度系数会逐渐降低，轨道的动力响应趋于放大。
冻结法应用及寒区施工中常采用高温热水强制融化冻土,针对饱和冻土在高温下的一维融化过程,建立了理论模型并给出了模型的解析解答。模型包含传热及热固结两部分,前者为全区域考虑未冻水的相变热传导过程,后者为融区内土体在温度、荷载及自重作用下的热固结过程。传热部分在文献中已有温度场、融化界面的解析解答,而融区内超静孔压的解析解答由本文推导获得。在忽略土颗粒、水的热膨胀作用后,模型和解答可以退化为Morgenstern和Nixon的经典冻土一维融化固结模型。利用模型解答对冻土在高温下一维融化过程中超静孔压、沉降进行了计算分析,结果表明:热压作用在热固结强度因子ε为正时会减小超静孔压,该效果随着ε增加而增强;减小融化固结比R或增大导温固结比F均扩大热压作用的相对影响范围,但前者使热压作用在融区内趋于均匀,后者会增加整体的热压作用;增加自重时间因子Wr几乎不改变热压作用强度及相对影响范围;高温的净效果使融土产生膨胀,但其影响小于普通固结沉降,因此总体效果仍表现为沉降。
在人工地层冻结工程中,平均温度是评价冻土帷幕状态,进行冻土帷幕力学性能分析的基本参数,本文研究单排管冻结形成的冻土帷幕的平均温度计算。基于单排管冻结稳态温度场解析解,直接对温度场表达式进行积分运算,运用分部积分法和积分中值定理,得到了单排管冻结平均温度计算公式,根据工程中的实际参数取值进行了公式的简化。考虑到温度场解析解在冻结管区域的不适用,采用相同的积分策略求解冻结管区域对平均温度计算的影响,进行了平均温度计算公式的修正。使用A NSYS进行了单排管冻结的热学稳态数值模拟与平均温度计算公式的结果进行比对,考察管间距l=0. 4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4 m,相对厚度ξ/l=0. 5,0.6,0. 7,0. 8,1.0,1.5共6种冻结发展状态,根据试验报告进行土质参数取值,冻结参数为工程中常用取值。对比计算结果显示,公式计算与数值计算的结果较为吻合。当相对厚度大于0.5时,随着冻土厚度的发展(相对厚度的增大),理论计算结果与数值计算结果的差值迅速减小到0.5以内,当相对厚度大于0.6时,差值小于0.2℃当相对厚度为1及以上时,差值小于0.1℃。通过数值模拟验证了平均温度...
为了明确多年冻土地区公路隧道承受的围岩荷载,给其结构设计提供科学依据,针对冻胀荷载的计算方法以及围岩荷载的组合形式进行了研究。考虑围岩不均匀冻胀特性,推导了不均匀冻胀时圆形隧道冻胀荷载的解析解;建立了冻胀荷载的有限元数值分析方法,揭示了围岩性质、埋深、衬砌形状对冻胀荷载的影响规律;对冻胀荷载包络图进行简化并分解,拟合了适用于曲墙式衬砌的冻胀荷载简化计算公式,并给出了荷载分布特征参数和量值特征参数;总结了多年冻土区公路隧道荷载组合形式。结果表明:冻胀荷载实测值为0.8,1.03MPa时,提出的冻胀荷载解析公式的计算值为0.62,1.12 MPa,与实测值吻合较好;以有限元数值方法计算结果为参照,冻胀荷载的简化计算方法平均相对误差为5.13%,可满足工程应用的精度要求。