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。

冻胀荷载作用下初始裂纹的形成、扩展导致衬砌结构的断裂是寒区衬砌渠道冻害的主要原因之一。在已有研究基础上，综合考虑地下水水位影响的梯形渠道冻胀力学分析方法及线弹性断裂力学理论，提出高地下水水位梯形渠道冻胀断裂力学分析框架。该模型将衬砌结构表面初始裂纹的失稳扩展及开裂破坏简化为Ⅰ型断裂力学问题，并提出应力强度因子与危险截面位置的计算方法。以塔里木灌区某梯形渠道为原型分析地下水埋深w对衬砌各截面应力强度因子KFⅠ（x）及合理板厚dr的影响规律。结果表明：地下水补给条件对KFⅠ（x）的大小影响显著；当w减小时，KFⅠ（x）呈非线性增大，此时渠道冻害风险也增大，与事实相符。地下水埋深越浅，保证结构安全所需衬砌板的合理厚度dr越大；当地下水埋深为3.0 m时，建议使用的合理板厚为9.0 cm。研究结果可为寒区渠道的抗冻胀设计提供科学依据。

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。

寒区多年冻土斜坡内部存在的下卧冰层对多年冻土斜坡稳定有着重要影响。为探究冰-冻土界面力学特性对斜坡稳定的影响，该研究以冰-冻土界面为研究对象，在低温环境（-3℃）下开展了不同冻土初始孔隙比和含水率下的冰-冻土界面及对应的冰-土颗粒界面直接剪切试验，建立了考虑冰晶胶结特性的冰-冻土界面非线性弹性损伤模型，结合试验结果对模型进行了验证，并分析了界面在剪切过程中切线刚度的变化规律。结果表明：冰-土颗粒界面的剪切应力表现为应变硬化特性，而冰-冻土界面的剪应力在峰值强度之后迅速下降，表现为应变软化特性。冰-冻土界面结构系数峰值点对应的剪切位移随着含水率的增大而增大，当冻土初始孔隙比为1.0、0.8和0.6，冻土初始含水率从14%增大至18%时剪切位移分别增大了32.7%、41.3%和52.1%。在-3℃下，冻土的初始含水率越大，则界面处的胶结冰越多，黏聚强度对界面的抗剪强度贡献也就越大。当结构系数达峰值点后，界面开始产生损伤，并随着剪切位移的增加进入加速损伤阶段。剪切过程中界面的切线刚度呈先增大后减小的趋势，在结构系数峰值点处为0，之后切线刚度随着剪切位移的增加逐渐减小。此外，界面的峰值切线刚度...

在冻土地层钻探过程中,不合理的作业方案可能引发井壁坍塌、井口沉降等一系列工程问题,而弄清深层冻土力学演化规律是施工设计的基础。为此,用漠河冻土重塑了不同深度冻土的模拟岩样,开展了不同围压、温度条件下的冻土三轴力学试验,分析了不同条件下的冻土应力–应变曲线特征。通过多元回归方法对冻土强度进行了统计分析,进一步构建了冻土强度准则。研究发现:模拟岩样的应力–应变曲线整体呈非线性变形特征,在冻结状态下,温度、围压对土体强度起主要作用;非冻结状态下,其强度由围压和土体深度决定;冻土强度由土体骨架强度和孔隙中冰的胶结强度构成,其骨架强度满足MohrCoulomb强度准则,内聚力、内摩擦角随深度增加而增大;孔隙中冰的胶结强度随环境温度降低而增强,随围压增加呈先增强后减弱的趋势。基于此构建了漠河冻土强度准则,验证结果表明,可以较好地表征漠河冻土融化–冻结状态下的强度分布。

为了研究多年冻土区地温变化规律及L型热棒温度调控效能,以公路热棒群降温工程措施为研究对象,通过热传导理论和非线性分析方法,建立了不同监测时段的地温波动预测模型,评价了利用热棒工程措施处治试验段多年冻土路基的降温能效。研究结果表明:热棒作用范围较大,有效影响半径可达5.25m。不同监测时段的冻土地温变化规律略有区别,深度在6m范围内,各测孔地温变化最大降幅达82.1%,6m以下深度范围内,地温逐渐趋于0℃以下。热棒作用初期,多年冻土路基横向地温呈差异化分布,但随着热棒温控效应的增强,有效影响半径内温度调控效果明显,横向地温分布差异性减弱,逐渐趋于较稳定的年平均地温。多年冻土区地温预测值与实测值相关系数均在0.99以上,预测效果良好。研究成果可为冻土路基地温预测、变形监测和降温措施制定提供借鉴。

冻土的松弛模量是进行蠕变力学分析的关键参数。但在理论方面,尚未基于球模仪试验建立较完善的松弛模量表征公式。基于半空间黏弹性理论和分数阶微积分理论,获得了松弛模量公式的非线性Kelvin模型解答并进行了材料参数影响分析。在给出恒载条件下,可以用单轴蠕变试验的分析结果评估基于球形压痕试验的冻土松弛模量来预测准确性。随后分别以冻结细砂的球模仪试验曲线、冻结砂和冻结砂质黏土的单轴蠕变曲线为例,预测了各条试验曲线和冻土的松弛模量,并通过其他试验实测数据进行了检验。结果表明:该松弛模量表征公式的材料参数最少,随各材料参数变化具有较佳单调性;基于球形模板试验,非线性Kelvin解答能对冻结细砂的松弛模量和位移曲线做出合理可靠的预测。非线性Kelvin模型能很好地吻合单轴蠕变试验曲线,基于单轴蠕变试验的冻结砂松弛模量随时间变化规律和数值范围与球模仪试验分析结果较一致,冻结砂质黏土的松弛模量随应力和温度的变化规律再现了已有研究结论。

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。

土体的本构模型是分析计算土工结构变形规律的关键。自剑桥模型提出以来,对于土体本构模型的研究,各国学者在不同环境条件下发展研究了适用于相应试验条件下的各类模型。随着寒区经济的发展,关于冻土力学性质的研究日益增多,许多学者借鉴常规融土的研究方法建立了不同条件下的冻土弹塑性本构模型。为了进一步理清冻土变形行为的特征,完善适用于冻土弹塑性行为的本构模拟理论和方法,作者总结和分析了各类冻土弹塑性本构模型的理论基础、建模方法、参数确定方法等内容,对进一步发展可准确描述冻土复杂力学行为的本构模型具有指导意义。

为了研究多年冻土区地温分布及其演化规律,基于多年冻土工程路基地温现场监测资料,采用非线性分析方法对沿线多年冻土地温数据进行回归拟合,建立了不同地段的地温波动预测模型,并根据监测结果提出了保护冻土路基、缓减工程作用影响的设计原则和实施方案。研究结果表明:不同监测时段的冻土地温变化规律基本相同,在2～3.5m深度范围内,温度降幅较大;3.5m以下温差变化相对缓慢,在0℃线左右波动,并逐渐趋于稳定。采用提出的多年冻土地温预测模型进行地温—深度曲线预测效果良好。冻土路基设计应以保护冻土、控制融沉速率为基本原则,通过控制路基最小填土高度、设置隔温材料、完善地表水和路基内部排水设施等措施,减缓工程作用对冻土路基的不利影响。本文研究成果可为冻土路基地温预测、变形监测和降温措施制定提供参考。