【摘 要】
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因外界环境剧烈变化,土体出现冻结和融化现象,建造物因周期反复冻融作用而出现开裂、倾倒甚至崩塌情形。本文研究冻土水热耦合问题是为了弄清冻胀和融沉机理,服务于冻土工程设计及病害防治技术的研究。本文通过开展室内冻土实验,获取了土样的基本物理力学参数和热力学参数,经经验公式推导获取了土样体积比热容、导热系数、非饱和渗流系数、比水容量和水分扩散系数的非线性数学表达式;基于傅里叶定律、质量守恒方程、Richa
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因外界环境剧烈变化,土体出现冻结和融化现象,建造物因周期反复冻融作用而出现开裂、倾倒甚至崩塌情形。本文研究冻土水热耦合问题是为了弄清冻胀和融沉机理,服务于冻土工程设计及病害防治技术的研究。本文通过开展室内冻土实验,获取了土样的基本物理力学参数和热力学参数,经经验公式推导获取了土样体积比热容、导热系数、非饱和渗流系数、比水容量和水分扩散系数的非线性数学表达式;基于傅里叶定律、质量守恒方程、Richards方程的基本理论,引入了冻土水热两场联系方程,建立了非饱和冻土水热耦合模型;通过Comsol Multiphyscis软件PDE接口二次开发,研究了初始含水率和暖端温度对孔隙含冰率的影响规律;结合工程实例,研究年气温条件对非饱和土路基温度场和水分场分布的影响规律和相变潜热对冻土水热耦合温度场影响规律。主要结论如下:（1）当不考虑外界补水时,试验黏土总含水率恒为饱和含水率,此时,体积比热容量随液态含水率成线性正相关关系;导热系数随液态含水率成指数负相关关系;非饱和渗流系数和水分扩散系数随液态含水率增大以指数形式先平缓后急剧增大;比水容量随液态含水率增大以指数形式先增大后减小。（2）初始含水率和暖端温度的变化会对土柱孔隙含冰率分布产生影响。初始含水率变化只影响冻结区孔隙含冰率分布情况,而对温度场影响较小,即冻融界面位置未变化,但暖端温度变化对土柱温度场和水分场都有影响,冻结区固体冰聚集程度更大。（3）外界气温只对路基0-5.8m内温度场产生影响,一年内气温上升或下降,0-0.27m季节活动层出现周期的冬结夏融,夏季季节冻土层液态水聚集,液态含水率最大为了0.4,此时,水分过量聚集容易造成寒区路基表层翻浆;冬季季节冻土层液态减小,孔隙含冰率从0.2增大到0.4,柔性路面容易出现不均匀隆起或开裂现象,在永久冻土层,气温变化会造成0.27-5.8m范围温度场和水分场小幅度变化,大于5.8m范围基本不变,由于平坡表温小于斜坡表温,斜坡夏季容易出现融沉。（4）相变潜热对路基水热耦合温度场分布影响较大,相变潜热能明显减小气温对路基温度影响范围,路基冻融界面上升,且在气温升（或降）过程,考虑相变潜热路基温升（或降）速度都要慢,对气温反应能力差,相变潜热对永久冻土层上限保护有利。
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