在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。

针对冻土冻融过程中存在移动相变界面及材料分区不断变化的特点,基于已建立的能全面地描述冻土的水、热、力与变形实际状态的准饱和冻土耦合模型,推导土颗粒、水和冰颗粒的温度场、变形场及水分场的扩展有限元解析格式,构建水热力相互作用在程序中实现的具体方法,开发一款能够为实际冻土工程服务的耦合分析平台3GEXFEM,利用程序对Fukuda系列试验进行数值模拟,分析得到的温度场、水分场与变形场与试验结果较一致,验证了程序的合理性和先进性。此外,基于程序系统地研究不同环境条件:上覆压力、温度梯度、变温模式、温变速率对冻土冻结过程中水热力耦合的影响,为模型及程序的工程应用奠定了基础。

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。

利用Clapeyron方程来描述冻土内温度、冰压力和水压力的关系,根据质量守恒原理和能量守恒原理,建立一维非饱和冻土水热耦合模型。采用数值模拟和室内试验相结合的方法,对建立的水热模型进行检验。研究结果表明:随着冻结时间的增加,冻土的温度变化由剧烈转成平稳,最后沿高度线性分布;冻土段含水量增大,未冻土段含水量减小;在冰透镜体的存在的地方,孔隙比明显增大,含水量明显增大;模拟结果与实测结果较吻合,验证了该模型的正确性。

引入Heaviside阶梯函数和Z函数使得冻结区和未冻区的导水系数、导热系数、体积热容量和土水势可以用统一的公式表达,提出了开放系统下饱和土在冻结过程中热质迁移的数学模型.对一个侧面绝热的圆柱土样的热质迁移过程进行了计算机模拟,结果表明:温度变化速率、冻结速率和温度梯度随时间减小,在冻结锋面附件温度分布曲线有拐点,冻结区温度梯度略小于未冻区温度梯度.含水量增量沿着试样高度先减小再增大,在冻结速率很低的情况下含水量持续增大,易形成冰透镜体.

在"饱和正冻土的理论构架"的基础上,假定了冻土体内的空气的流动是一种Darcy流,进一步考虑了非饱和土中气相的影响,提议了一种综合考虑两种极端情况: (1)气体与外界完全相通. (2)气体与外界完全不相通的相关水、热、力相耦合的多孔多相介质理论构架--半连通、半封闭非饱和正冻土理论构架.重点讨论了较简单的气体半连通半封闭的非饱和孔隙冻土体的三场耦合模型.为检验三场耦合分析模型及所开发的针对冻土工程三场耦合模型的软件系统3G2001的合理性与正确性,与214国道花石峡试验路基实测的地温变化和路基路面变形进行了对比验证,对比结果显示:路基中分析所得的温度场与实测值变化规律一致,量化相差大都在10％-20％以内;分析所得耦合变形随时间的变化也与实测值完全一致,路中的分析变形与实测相差也在10％-20％以内.