寒区油页岩废渣-粉煤灰土路基的水-水汽-热-力(HVTM)耦合数值模拟研究在我国,大约70%的地表被寒区多年冻土层和季节性冻土覆盖。在多年冻土和季节性冻土地区,路基必须经历冻融循环,导致路基病害严重,缩短路基和路面结构的使用寿命。路基多为非饱和土,在非盐渍土地区,其病害是由水分场、温度场、应力场共同作用的结果,其中水分场显现为液态水、固态水及汽态水的分布及变化,温度场显现为温度分布及变化,而应力场显现为应力和应变的分布及变化。目前,缺乏既考虑冻融,又考虑汽态水迁移的非饱和土水-水汽-热-应力耦合方程的数值计算理论与实施案例,无法为刻画寒区路基中存在的水、冰、水汽、温度、应力及应变分布提供数值计算基础,导致在分析寒区路基冻融破坏机制时缺乏冻融环境下的水、冰、水汽、温度、应力及应变相互影响的理论及定量分析手段。随着油页岩开发和国家能源需求量的增加,油页岩废渣及粉煤灰堆积产生了严重的环境污染,且有大量的油页岩废渣及粉煤灰需要处理。为了减少冻融对冻土路基和季节性冻土的不利影响,已有研究采用了降低地下水位、使用防冻路基材料、设置冷阻、隔热或保温层等方法,都取得了一定的有益效果。目前,鲜见将油页岩废渣及粉煤灰联合用作路基隔热材料的相关报道,仅有的研究仅限于它们各自或联合的静动力特征及渗透性等功能的评价,缺乏将它们视为路基隔热材料的研究。本文依托国家自然科学基金项目“季节冻土区道路设置冷阻层治理路基冻害机理研究(51578263)”和国家重点研发计划项目“道路基础设施智能感知理论与方法(2018YFB1600200)”,进行两项工作:第一,理论分析了寒区路基冻融破坏机制,构建了寒区路基水-水汽-热-力(HVTM)耦合数学模型,并设计了试验验证,且提供了寒区路基HVTM耦合模型在寒区路基的应用案例,研究成果对于预测寒区路基中的液态水、汽态水、冰、温度、应力、应变的分布变化,定量分析寒区路基冻融破坏机制都具有重要意义。第二,基于课题组前期对油页岩废渣及粉煤灰改良粉质黏土的力学研究基础,选用吉林省汪清县油页岩废渣及长春第二发电厂粉煤灰,改良吉林省内分布广泛的粉质黏土,通过试验和HVTM耦合数值模拟探究了油页岩废渣-粉煤灰土(改良土)作为寒区路基隔热材料的有益效果,研究成果对于寒区路基全寿命周期服役性能的提高及固体废物的再利用具有重要意义。基于以上研究目的,本文的研究内容如下:(1)在理论分析寒区路基冻融破坏的多场耦合机制的基础上,基于物质连续性方程、能量守恒方程、平衡微分方程、本构方程、边界条件,构建能够刻画寒区路基中存在的液态水迁移、汽态水迁移、冰含量分布、热量分布、应力和应变状态的寒区路基HVTM耦合数学模型。(2)实施不同密度、含水率、冻融循环次数下的改良土及粉质黏土的导热系数和比热容测试,分析传热参数,并建立新式导热系数及比热容随温度或冻融次数变化的导热系数和比热容计算方程,提高HVTM模型传热参数精确度,且基于改良土的微、细观试验研究,分析冻融环境下改良土的导热系数变化的主控因素。(3)使用课题组设计的土柱水-热-力耦合试验系统,实施冻结过程中非饱和粉质黏土及改良土的水-热-力耦合的土柱试验,以液态水含量、温度及应力三个指标分析改良土的保温能力;使用室外场地挖坑填土方法,进行冻融条件下的非饱和粉质黏土的水-热-力耦合试验,使用课题组设计的水汽迁移试验盒和低温恒温槽,实施非饱和粉质黏土的水汽迁移试验,综合上述非饱和粉质黏土的水-热-力耦合试验与水汽迁移试验,为寒区路基HVTM耦合数学模型的验证提供数据支持。(4)基于寒区路基HVTM耦合数学模型和COMSOL Multiphysics的数学模块,进行COMSOL Multiphysics的二次开发,实现寒区路基HVTM耦合数学模型的数值计算,结合非饱和土水-热-力耦合试验及水汽迁移试验数据,执行寒区路基HVTM耦合数学模型的验证,验证模型计算结果的可靠性。(5)基于高速路的试验路段结构,将改良土作为试验路保温层,利用环境评价方法,评价其对试验路环境背景的影响,并将本文的HVTM耦合数学模型应用于该试验剖面(加入改良土作为保温层)和对比剖面(未加改良土作为保温层),提供寒区路基HVTM耦合数学模型在实际路段应用的案例,总结试验剖面和对比剖面的模拟结果,以水、水汽、冰、热、应力、位移分布变化为指标,分析改良土的有益效果。