为了研究季节性温度边界条件对冻土路基融化固结特性的影响，对三维非线性大变形融化固结理论进行修正，引入季节性温度边界条件，并采用摩尔库伦准则描述土体融化后进入塑性阶段的沉降变形，建立了能够考虑季节性温度边界条件影响的三维非线性塑性融化固结理论。在此基础上，采用FLAC3D软件对所建理论模型进行数值化，并以青藏公路某段高含冰量路基为例，分析了其在季节性温度边界条件下的融化固结规律，最后结合实测数据验证了所建理论模型的有效性。研究结果表明，冻土路基的沉降变形随着地表温度的季节性变化而呈现出周期性的变化规律，这是季节性温度边界条件下冻土路基融化固结规律的最显著特征。通过对固结过程中孔隙水压力分布的研究发现，路基浅层融化区域内的孔隙水在运营初期已经消散，而在之后长时间的运营过程中，冻土路基融沉的持续发展主要是由于融化锋面处新融化的孔隙水的消散。

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。

为了研究高含冰量冻土路基的融化固结规律,在线性大变形融化固结理论的基础上引入非线性本构关系,并运用分段插值法实现了孔隙比与压缩模量之间的非线性关系,完善了三维大变形融化固结数值模拟方法。在此基础上结合青藏公路实测数据验证了其合理性。研究结果表明,采用非线性应力-应变关系的大变形融化固结理论能够显著提高高含冰量冻土路基的沉降计算精度,并能够进一步合理描述热学场和力学场的相互叠加影响。冻土融化固结度受有效融化固结时间以及特征排水长度等因素的影响呈现出完全不同于融土路基的发展规律,即在路基运营初期其融化固结度上升,随着时间发展,其固结度在达到峰值后持续降低,这主要是由于融化深度持续增大后所引起的特征排水长度的增加和有效融化固结时间的缩短所造成的。因此,在计算高含冰量冻土路基稳定性设计指标时,应采用非线性应力-应变关系来进一步提高融化深度、沉降以及固结度等指标的计算精度。

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。

高温冻土区填土路基中的地基融化之后,非常容易出现固结变形,影响路基的正常使用。本文首先对高温冻土上限及地温进行了详细的分析,其次对固化固结变形进行了分析,仅供参考借鉴。

为研究多年冻土地区宽幅高等级公路路基的稳定性,采用拉格朗日法描述的大变形固结理论及具有相变的传热理论,对G214(共和至玉树)高等级公路中不同宽度和高度路基的温度场和融沉变形进行了数值计算。结果表明:当路面宽度从12m增加到24m时,2～6m高路基中心位置冻土上限埋深增大3～6倍;随着路面宽度的增加,黑色沥青路面的热聚集效应和路基中心下冻土的融沉变形都显著增大;当路基高度为3m时,路基竣工50年后12,24m宽路基的中心和路肩位置沉降变形差值分别约为130,59mm;当路面宽度为12m时,路基中心与路肩位置的沉降值之差随路基高度增加而减小,当路面宽度为24m时则相反,且路基更易产生纵向裂缝。

基于修正拉格朗日(U.L)描述下的大变形固结理论和考虑相变作用的温度场得到大变形融化固结理论,对不同路堤高度下填土路基温度场和融沉变形进行研究.结果表明:高温冻土区合理高度的路堤在5～10 a内使冻土上限略微抬升,但冻土有明显升温.冻土上限在未来的5～10 a后会急剧下降,且路堤高度越小,下降量越大.与小变形融化固结理论相比,大变形融化固结理论预测高含量冻土融沉变形的精度更高.融沉量与路堤高度成正比,且随着时间的增长,融沉变形呈阶梯型发展,路堤越高,阶梯现象越显著.定义融沉量与路堤高度之比为沉降比,研究发现路堤越低,其沉降比越大,且随时间线性增长.沉降比是冻土融深增量的单值函数,与路堤高度无关,通过沉降比函数可以快速而实用的求出融沉变形量.

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.