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随着可再生能源和地源热泵技术的不断发展，浅层地热能的开发已成为工程中研究的热点问题之一，但其理论研究远远落后于工程应用，尤其是土体在热-力耦合作用下的力学机理研究尚不成熟。本文采用温控三轴试验和数值模拟相结合的方法，对温度作用下空心圆柱形饱和砂土试样的变形和强度特性进行了系统的研究，着重分析了有效应力、相对密实度和加卸载对其轴向和体积变形的影响，并初步探讨了考虑温度效应的颗粒流数值模拟方法。本文开展的主要研究内容和取得的成果如下：
①针对金属试样，开展不同有效应力作用下的温度循环验证试验，分析温控试验系统在轴向和体积变形方面的误差，并结合热力学理论，提出饱和砂土试样实际发生的轴向和体积热变形的计算方法。研究结果表明，金属试样的轴向应变基本上是可逆的，温控试验系统对试样的轴向热变形无明显影响，其在轴向变形方面的误差可以忽略不计。金属试样的体积变形存在可逆和不可逆两个部分，其中不可逆部分为温控试验系统在体积变形方面的误差，该误差不可忽略，应在饱和砂土试样实际发生的体积热变形中扣除。
②针对密实状态下的空心圆柱形饱和砂土试样，开展不同有效应力和温度作用下的温控三轴不排水剪切试验，分析饱和砂土试样的轴向和体积变形、峰值状态、正常固结状态和临界状态随有效应力和温度的变化规律。研究结果表明，密实状态下的饱和砂土试样的轴向和体积热变形均为负值，且随着温度的增加而线性增加，随着有效应力的增加而无明显的变化。整个砂土试样的热膨胀系数与土体颗粒的热膨胀系数属于同一个量级，且该系数与应力水平无关。密实状态下的饱和砂土试样的体积热变形主要取决于土体颗粒的作用。此外，随着温度的增加，峰值偏应力线性减少，峰值孔隙水压力线性增加，割线模量无明显变化，随着有效应力的增加，峰值状态下的偏应力和孔隙水压力也随之增加。随着温度的增加，饱和密实砂土试样的临界状态线的截距和斜率都不变，临界状态线是唯一的。
③针对相同有效应力作用下的空心圆柱形饱和砂土试样，开展不同相对密实度和温度条件下的温控三轴不排水剪切试验，分析饱和砂土试样的变形和强度特性随相对密实度和温度的变化规律。研究结果表明，随着温度的增加，饱和砂土试样的轴向和体积热变形均为负值，且呈线性增加的趋势。随着相对密实度的增加，饱和砂土试样的轴向热变形呈线性增加的趋势，体积热变形呈线性减少的趋势。疏松状态下的饱和砂土试样的热膨胀系数介于孔隙水和土体颗粒的热膨胀系数之间，且与试样的相对密实度有关。随着相对密实度的增加，饱和砂土试样的热膨胀系数逐渐线性减少，最终与土体颗粒的热膨胀系数同一个量级。整个饱和砂土试样的体积热变形逐渐从疏松状态下孔隙水和土体颗粒的共同作用转变为密实状态下土体颗粒的单独作用。随着温度的增加，不同密实状态下的饱和砂土试样，其偏应力不断减少，孔隙水压力不断增加。
④针对疏松和密实状态下的空心圆柱形饱和砂土试样，开展不同力学加载、力学卸载和排水加热作用下的温控三轴压缩试验，分析饱和砂土试样的排水特性、轴向和体积变形特性随力学加卸载的变化规律。研究结果表明，在力学加载阶段，有水体从试样内部排出，其轴向和体积变形均为正值，试样发生压缩变形。在力学卸载阶段，有水体流入试样内部，其轴向和体积变形均为负值，试样发生膨胀变形。在排水加热阶段，有水体从试样内部排出，但该阶段排水量引起的压缩变形小于试样内部孔隙水和土体颗粒的热膨胀变形，整个砂土试样的轴向和体积变形均为负值，试样发生膨胀变形。
⑤针对同尺寸的空心圆柱形三轴试样，开展不同平均粒径、相对密实度、有效应力和温度作用下的颗粒流数值模型研究，分析模型试样的颗粒尺寸、轴向和体积变形随温度的变化规律。研究结果表明，随着温度的增加，模型颗粒的平均半径也随之增加，且其增加量不仅与温度有关，还与颗粒的初始粒径有关。模型试样的轴向和体积变形均为负值，且随着温度的增加而线性增加。
①针对金属试样，开展不同有效应力作用下的温度循环验证试验，分析温控试验系统在轴向和体积变形方面的误差，并结合热力学理论，提出饱和砂土试样实际发生的轴向和体积热变形的计算方法。研究结果表明，金属试样的轴向应变基本上是可逆的，温控试验系统对试样的轴向热变形无明显影响，其在轴向变形方面的误差可以忽略不计。金属试样的体积变形存在可逆和不可逆两个部分，其中不可逆部分为温控试验系统在体积变形方面的误差，该误差不可忽略，应在饱和砂土试样实际发生的体积热变形中扣除。
②针对密实状态下的空心圆柱形饱和砂土试样，开展不同有效应力和温度作用下的温控三轴不排水剪切试验，分析饱和砂土试样的轴向和体积变形、峰值状态、正常固结状态和临界状态随有效应力和温度的变化规律。研究结果表明，密实状态下的饱和砂土试样的轴向和体积热变形均为负值，且随着温度的增加而线性增加，随着有效应力的增加而无明显的变化。整个砂土试样的热膨胀系数与土体颗粒的热膨胀系数属于同一个量级，且该系数与应力水平无关。密实状态下的饱和砂土试样的体积热变形主要取决于土体颗粒的作用。此外，随着温度的增加，峰值偏应力线性减少，峰值孔隙水压力线性增加，割线模量无明显变化，随着有效应力的增加，峰值状态下的偏应力和孔隙水压力也随之增加。随着温度的增加，饱和密实砂土试样的临界状态线的截距和斜率都不变，临界状态线是唯一的。
③针对相同有效应力作用下的空心圆柱形饱和砂土试样，开展不同相对密实度和温度条件下的温控三轴不排水剪切试验，分析饱和砂土试样的变形和强度特性随相对密实度和温度的变化规律。研究结果表明，随着温度的增加，饱和砂土试样的轴向和体积热变形均为负值，且呈线性增加的趋势。随着相对密实度的增加，饱和砂土试样的轴向热变形呈线性增加的趋势，体积热变形呈线性减少的趋势。疏松状态下的饱和砂土试样的热膨胀系数介于孔隙水和土体颗粒的热膨胀系数之间，且与试样的相对密实度有关。随着相对密实度的增加，饱和砂土试样的热膨胀系数逐渐线性减少，最终与土体颗粒的热膨胀系数同一个量级。整个饱和砂土试样的体积热变形逐渐从疏松状态下孔隙水和土体颗粒的共同作用转变为密实状态下土体颗粒的单独作用。随着温度的增加，不同密实状态下的饱和砂土试样，其偏应力不断减少，孔隙水压力不断增加。
④针对疏松和密实状态下的空心圆柱形饱和砂土试样，开展不同力学加载、力学卸载和排水加热作用下的温控三轴压缩试验，分析饱和砂土试样的排水特性、轴向和体积变形特性随力学加卸载的变化规律。研究结果表明，在力学加载阶段，有水体从试样内部排出，其轴向和体积变形均为正值，试样发生压缩变形。在力学卸载阶段，有水体流入试样内部，其轴向和体积变形均为负值，试样发生膨胀变形。在排水加热阶段，有水体从试样内部排出，但该阶段排水量引起的压缩变形小于试样内部孔隙水和土体颗粒的热膨胀变形，整个砂土试样的轴向和体积变形均为负值，试样发生膨胀变形。
⑤针对同尺寸的空心圆柱形三轴试样，开展不同平均粒径、相对密实度、有效应力和温度作用下的颗粒流数值模型研究，分析模型试样的颗粒尺寸、轴向和体积变形随温度的变化规律。研究结果表明，随着温度的增加，模型颗粒的平均半径也随之增加，且其增加量不仅与温度有关，还与颗粒的初始粒径有关。模型试样的轴向和体积变形均为负值，且随着温度的增加而线性增加。