导热系数是衡量材料传热能力的重要参数。为了提高非饱和冻土导热系数的预测精度，基于最小热阻力法则和均匀化方法，提出了一种非饱和冻土的导热系数预测模型，然后利用既有实验数据对模型有效性进行验证，并通过Sobol指数敏感性分析方法评估了土质、孔隙率、饱和度和水分转化系数对导热系数的影响程度。结果表明，新模型可有效反映冻土导热系数变化规律，其预测值与实测值的偏差仅为2%。当孔隙率由0.8减小到0.2时，导热系数增大约50%；随着饱和度从20%增加到80%、水分转化系数从0.2增加到0.8，导热系数分别增大了56%和32%。饱和度对导热系数的直接影响最大，孔隙率次之，水分转化系数和土质类型的影响较小。研究成果可为高寒地区热工计算提供准确的计算参数，实现冻土工程温度场的有效评估。
导热系数是衡量材料传热能力的重要参数。为了提高非饱和冻土导热系数的预测精度，基于最小热阻力法则和均匀化方法，提出了一种非饱和冻土的导热系数预测模型，然后利用既有实验数据对模型有效性进行验证，并通过Sobol指数敏感性分析方法评估了土质、孔隙率、饱和度和水分转化系数对导热系数的影响程度。结果表明，新模型可有效反映冻土导热系数变化规律，其预测值与实测值的偏差仅为2%。当孔隙率由0.8减小到0.2时，导热系数增大约50%；随着饱和度从20%增加到80%、水分转化系数从0.2增加到0.8，导热系数分别增大了56%和32%。饱和度对导热系数的直接影响最大，孔隙率次之，水分转化系数和土质类型的影响较小。研究成果可为高寒地区热工计算提供准确的计算参数，实现冻土工程温度场的有效评估。
导热系数是衡量材料传热能力的重要参数。为了提高非饱和冻土导热系数的预测精度，基于最小热阻力法则和均匀化方法，提出了一种非饱和冻土的导热系数预测模型，然后利用既有实验数据对模型有效性进行验证，并通过Sobol指数敏感性分析方法评估了土质、孔隙率、饱和度和水分转化系数对导热系数的影响程度。结果表明，新模型可有效反映冻土导热系数变化规律，其预测值与实测值的偏差仅为2%。当孔隙率由0.8减小到0.2时，导热系数增大约50%；随着饱和度从20%增加到80%、水分转化系数从0.2增加到0.8，导热系数分别增大了56%和32%。饱和度对导热系数的直接影响最大，孔隙率次之，水分转化系数和土质类型的影响较小。研究成果可为高寒地区热工计算提供准确的计算参数，实现冻土工程温度场的有效评估。
为了探究冲击加载下初始含水率和加载应变率对非饱和冻土抗压强度的影响，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）对不同初始含水率下的非饱和冻土进行不同加载应变率下的冲击压缩试验，发现非饱和冻土的抗压强度随加载应变率和初始含水率的增加而增大。为了分析非饱和冻土在冲击加载下的抗压强度和破坏情况，从能量的角度分析非饱和冻土在冲击过程中吸收能与加载应变率和含水率之间的关系。结果表明：能量吸收的多少可以直观地反映非饱和冻土的抗压强度，同时可以反映出加载应变率和初始含水率对非饱和冻土抗压强度影响的主次。通过分析非饱和冻土在冲击加载下的能量-时程关系，可以直观地了解非饱和冻土在不同加载时刻的破坏情况。
为了探究冲击加载下初始含水率和加载应变率对非饱和冻土抗压强度的影响，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）对不同初始含水率下的非饱和冻土进行不同加载应变率下的冲击压缩试验，发现非饱和冻土的抗压强度随加载应变率和初始含水率的增加而增大。为了分析非饱和冻土在冲击加载下的抗压强度和破坏情况，从能量的角度分析非饱和冻土在冲击过程中吸收能与加载应变率和含水率之间的关系。结果表明：能量吸收的多少可以直观地反映非饱和冻土的抗压强度，同时可以反映出加载应变率和初始含水率对非饱和冻土抗压强度影响的主次。通过分析非饱和冻土在冲击加载下的能量-时程关系，可以直观地了解非饱和冻土在不同加载时刻的破坏情况。
为预测非饱和冻土的导热性能，基于土体微观结构，提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法，并将该算法与传统有限单元法组合，建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像，采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率；改进传统的四参数随机增长法，提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法；基于生成的非饱和冻土模型，通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数，并与规范中冻土导热系数进行对比，验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。
为预测非饱和冻土的导热性能，基于土体微观结构，提出了非饱和冻土特征结构识别算法和多元素生成算法，并将该算法与传统有限单元法组合，建立非饱和冻土导热系数蒙特卡洛预测模型。通过土体SEM电镜图像，采用逆向四参数增长识别法识别土体中各组分含量、大小以及各方向分布概率；改进传统的四参数随机增长法，提出了考虑土、水、冰和气的多元素生成算法；基于生成的非饱和冻土模型，通过蒙特卡洛方法获得非饱和冻土导热系数，并与规范中冻土导热系数进行对比，验证了蒙特卡洛法预测模型的合理性（平均误差饱和度>孔隙率>土颗粒大小>结冰率。各影响因素对非饱和冻土导热系数影响可以归纳为对热通量形成“热链”密度、宽度、连通性、热流承载力以及对“热桥”通量的影响。
为了探究哈尔滨季冻区高铁路基冻胀受气态水迁移驱动的影响,依据"锅盖效应"和土水势理论,分析不同含水率下路基在温度势和基质势驱动作用下的气态水迁移规律。实验结果表明:总含水率低于15%时,基质势驱动作用下的气态水迁移量可达0.13%,温度势驱动作用下的气态水迁移量为0.26%,基质势驱动与温度势驱动共同作用;总含水率高于15%时,基质势驱动作用下的气态水迁移量可达1.32%;温度势驱动作用下的气态水迁移量为4.88%,温度势驱动起主导作用。二者共同作用下,路基冻胀受温度势的驱动更为明显。
为了探究哈尔滨季冻区高铁路基冻胀受气态水迁移驱动的影响,依据"锅盖效应"和土水势理论,分析不同含水率下路基在温度势和基质势驱动作用下的气态水迁移规律。实验结果表明:总含水率低于15%时,基质势驱动作用下的气态水迁移量可达0.13%,温度势驱动作用下的气态水迁移量为0.26%,基质势驱动与温度势驱动共同作用;总含水率高于15%时,基质势驱动作用下的气态水迁移量可达1.32%;温度势驱动作用下的气态水迁移量为4.88%,温度势驱动起主导作用。二者共同作用下,路基冻胀受温度势的驱动更为明显。
为了研究多年冻土表层的水热分布情况,在非饱和冻土的能量守恒方程和水分迁移的质量控制方程的基础上考虑冰水相变和水汽相变过程,并考虑水汽运移传热及温度势对水汽迁移的影响,建立了非饱和冻土的水-热-汽耦合模型。采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法可方便地计算它们的演化过程。为此,在计算中先求解能量守恒方程的含冰量及气态水含量,再对未冻水含量和温度场进行求解,从而实现了温度场与水汽场的耦合。在此基础上,模拟计算了第1类热边界条件下半无限空间介质内非稳态温度场、体积含水率及水汽通量的分布情况,并将计算结果与未考虑耦合的解析解进行比较,结果显示水汽耦合的作用不容忽略。最后,针对处于季节性周期温度边界下路基的水热场的分布情况进行计算。研究表明,相比于水-热耦合模型,所建立的水-热-汽耦合模型得到的计算结果更为接近实际监测结果,可很好地揭示非饱和冻土中的水热汽迁移特征及其相变过程。