以工程实际环境为研究基础,阐述砂性土堤防在冻融作用下的破坏机理,并介绍一种新型研究水分迁移试验装置,利用该装置测量黑龙江干流堤防典型砂性土试样在冻融循环作用下的温度场、水分场、应力场的时空分布。试验结果表明:堤顶公路破坏与堤身不均匀沉降有关,温度变化引起含水率出现梯度变化,从而出现应力场变化,且温度梯度含水率梯度呈线性关系。冻结初期土柱顶部出现应力增加,稳定后应力减小,稳定冻结深度1 m左右。

在冻土路基非稳态温度场控制方程和融化固结理论模型的基础上,以109国道橡皮山地区典型路基土体粉质黏土制做的圆柱体力学模型为研究对象,采用有限元软件ABAQUS建立计算模型,并与室内试验结果对比,提出了土体冻结和融化过程中的温度场和融化沉降的变化规律.研究结果表明:在动荷载作用下,土样变形量随时间而增大,最终达到了稳定形式,而在不同幅值动荷载作用下,土样变形量存在明显差异,在一定的范围内,动荷载幅值大小对冻结土体融化速率作用有限.

本文介绍了季节性冻土地区铁路冻害的表现形式。路基冻胀和翻浆冒泥是线路冻害的表现形式。通过对铁路路基冻害各种因素的测量现场及分析,得出温度场、水分场和冻胀量三者之间的相互关系。

通过对饱和含水冻土区埋地管道周围冻土层的温度场、水分场和应变应力场进行数值模拟分析,得出管道穿越冻土区应力、应变不均匀分布和变化的一般规律。由于管道的散热作用,周围冻土层的结构、成分遭到破坏,土壤孔隙水减少,蓄热量低于融土,同时伴随水分的传热和传质作用而带走热量使土壤更加干燥。这些变化影响土壤变形及应力状态:管道上方土壤应变、应力变化剧烈;管道周围应变渐增,应力不断减小,易产生融沉;管道下方非融冻土应变小于上方融土、呈层状递减,土壤被加固,应力不断增大。

针对冻土区埋地输油管道将遇到受土体冻胀和融沉破坏等一系列特殊问题,综述了管道周围土壤水分场、温度场、应力场及三场耦合的研究现状,介绍了冻土区埋地输油管道与水热力三场的关系,分析了目前与冻土区埋地输油管道三场研究相关的研究成果。结合埋地输油管道在实际运行中的油温变化等因素,提出了未来关于冻土区埋地输油管道三场研究的几点建议,以期为冻土区埋地输油管道的设计、建设与运行提供参考。

对路基温度场和水分场藕合计算进行计算分析,并对未来路基温度场的分布进行预测,最终将这种方法与具体工程结合起来,说明温度场与水分场耦合计算在工程实践中的应用。

根据人工多圈管冻结模型试验,认为温度梯度是引起水分迁移的主要原因.提出了正冻土中水热耦合控制微分方程,并在AD INA有限元程序中实现了水、热耦合的数值模拟.数值模拟数据与模型试验中的测点温度、含水量变化规律一致,表明利用该方法可以进行人工多圈管冻结壁形成过程的水热耦合分析.

冻土区埋地管道遇到的最常见问题是冻害破坏。研究埋地输油管道发生冻害及采取科学有效的方法防止冻害,首先应预测埋地输油管道周围冻土冻融过程中温度场的变化,以及温度场与水分场的变化关系。叙述了国内外学者在冻土温度场与水分场耦合作用这一问题的研究成果和埋地输油管道周围温度场的研究成果,提出了数值模拟埋地输油管道周围冻土温度场的几点建议。

在建立多年冻土地区路基非稳态温度场控制方程、水分迁移的有限元控制方程和路基变形场及应力场计算模型的基础上,提出水热力耦合模型。以青藏公路唐南段K3393+950的冻土路基为计算对象,得出了1月份路基温度场、水分场及应力场(变形场)的分布规律:路基温度场内部存在着未冻土核;水分场在温度梯度的作用下有向冻结冰锋线迁移的趋势;在负温条件下,土体的体积含冰量超过临界值时,将产生冻胀现象。研究结果表明,多年冻土地区路基的温度场、水分场及应力场一直处于动态变化中,路基的热状况、水分状况与变化规律及由此引起的应力重分布是引起道路冻害的主要因素。

路基不均匀沉陷和冻胀变形、纵向裂缝等是多年冻土区或是季节冻土区道路工程的主要病害,路基中的热状况与水分状况及其变化是引起冻害严重与否的主要因素。路基中热量的差异和改变引起水分的迁移与转化,而传统的等温模型不能确切地反映温度变化条件下路基中水分的迁移。该文在土体水分等温模型的基础上,建立水热耦合迁移数值模型,引进非等温扩散流方程,提出在水热梯度共同作用下的二维水热迁移的理论模型,并以青藏公路K3363+880路段为对象,进行水热耦合计算,证明模型的有效性,从而进行温度场和水分场变化规律的研究。