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西部广大寒区的众多工程冻害问题本质上是多孔多相介质带相变的固、液、气、热耦合问题,而冻土工程多场耦合问题是冻土力学研究的热点与难点之一。本文以本课题组建立的饱和正冻土温度场、水分场和变形场三场耦合构架为基础,在系统剖析了模型在理论构建及实际应用过程中不足的基础上,结合冻土力学最新研究进展及工程应用需要,对模型进行了进一步完善: ①增加了考虑温度影响的粘弹性本构关系; ②通过考虑水体的可压缩性增加了模型对准饱和冻土的适应性; ③进一步考虑了冻土冻结融沉过程中水分迁移引起的对流传热、粘弹性耗散、热力耦合耗散对能量方程的影响; ④针对耦合过程由于相变导致材料分区界面不断移动的特点,结合计算力学最近进展,引入了扩展有限元进行耦合模型解析的新方法,编制了带相变传热问题的扩展有限元程序及(准)饱和正冻土水热力耦合模型扩展有限元分析程序。 本文的主要研究成果: (1)通过引入动态内变量应变速率ε&(或应力变化速率σ&)与温度变化速率T&构成的耗散势,建立了冻土骨架考虑温度影响的粘弹性本构关系,并将新的本构关系纳入到饱和正冻土水热力耦合模型中。基于新的本构模型,正冻土冻融过程中冻土骨架的体积变形,剪切变形及热力耦合均可引起热耗散现象,进行影响变形场、水分场及温度场分布。 (2)通过将冻土体的变形分为由外荷载引起的变形及温度梯度引起的变形(水分迁移,热胀冷缩效应、冰水相变引起体积膨胀、温度及压力变化引起水体密度的变化)两类,根据多孔多相介质理论,建立起了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程。 (3)通过考虑土体各相的热传导、冻土骨架(冰)粘弹性耗散和热力耦合耗散,冻土骨架热胀冷缩、冰水相变及负温下水分迁移引起的热对流等主要因素,建立起多种因素相互作用、相互影响的(准)饱和正冻土能量守恒方程。 (4)结合实测冻土工程相变温度场的特点,引入了采用扩展有限元求解冻土工程带相变瞬态传热温度场的方法,编制了带相变传热问题的扩展有限元程序,并通过与经典一、二维Stefan问题的解析解的对比,验证了本文分析方法的正确性、合理性与先进性。 (5)借鉴大型有限元Final的基本思想,设计了耦合模型扩展有限元分析程序中的数据结构及控制结构,结合耦合模型的特点,开发了冻土工程三场耦合模型分析平台。针对经典室内冻胀实验进行了数值模拟分析,并结合实验及前人的研究成果进行全面的、系统的检验与验证分析,验证了所开发分析程序的合理性与先进性。利用建立耦合模型及开发的程序对清水河大桥桩基进行了水-热-力耦合分析,分析了大桥钻孔灌注桩的承载影响因素及内在承载热力学机理,为类似寒区的工程设计提供了参考。