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季节性冻土地区的工程经常出现冻胀破坏,土体冻胀是温度场、水分场、应力场耦合作用的结果,其相互作用机理十分复杂。随着城市的发展出现了深基坑,目前对于基坑的冻胀研究非常有限。哈尔滨处于高纬度地区,冬季气温低,土体冻胀对工程结构影响大,我国首次在该高寒地区修建地铁,对我国在冻土区地铁施工具有重要意义。为了分析季节性土体冻胀对地铁车站围护结构及基坑的影响,本文以Harlan水热耦合模型为基础,推导水热力三场耦合方程,同时进行必要的简化,从而使强非线性多场耦合转变为顺序耦合,利用COMSOL Multiphysics软件进行二次开发,实现多场耦合,模拟冻胀对哈尔滨地铁兆麟公园站围护结构与基坑的影响,主要工作及成果如下:(1)在热传导方程中,考虑相变潜热对温度场的影响。分析水分迁移引起的未冻水含量对热力学参数的影响,确定了其取值。(2)考虑温度对水分场的影响,引进温度梯度水分扩散率。考虑冰水相变对水分迁移的影响,基于冻结时与冻结前渗透系数的比值确定冰阻抗。在渗流方程中,引入等效含水量的概念,针对含冰量提出了固液比的概念。(3)考虑水分迁移及冰水相变对应力场的影响。通过水热耦合得到水分和含冰量分布,推导初始应变公式,实现水热力三场耦合。考虑温度对土体力学参数的影响。(4)在水热力耦合理论的基础上,对COMSOL Multiphysics软件进行二次开发,实现PDE模块之间以及与固体力学模块的弱耦合关系。模拟一维土柱和水渠冻结过程,验证了水热力三场耦合模型的合理性及适用性。(5)分析冻结时地铁基坑温度场、水分场的分布,基坑不同位置冻结过程的发展以及冻结过程中各点的位移变化,研究支撑内力随冻结时间的变化特点。考虑不同含水量、不同极端温度和不同底板刚度对基坑及支护结构变形和内力的影响。对比不同冻胀耦合分析模型的模拟效果,针对极端含水量工况下的支撑进行优化,分析连续墙在不同约束刚度下所受冻胀力的变化,研究冻融循环对墙体冻胀力的影响。针对深基坑提出防冻胀措施,在不同保温板铺设情况下,进行防冻胀效果的对比,发现当保温板铺设范围10.3m,厚度10cm时的保温效果良好,可以作为越冬基坑保温板的施工方案。