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本文采用室内试样实验、有限容积法、热力学及相关理论对土体无外荷载条件下的一维冻结问题进行了系统研究,重点对于冻结过程中水分、温度场的模拟、冻胀演变的数学模型及计算、冻胀控制及其机理进行了深入的分析。在无透镜体出现时,冻胀产生较小,此时一般采用Harlan模型对水分、温度场进行模拟,本文在指出现有计算存在收敛性差、引入非必要条件等问题后,基于有限容积法提出了一种新的解耦求解方式,详细介绍了时间步长选择、锋面附近节点离散、边界条件处理等问题,计算了文献中石英粉及张掖壤土的冻结过程,与试验结果对比验证了计算的可靠性,研究表明:已冻土区水分迁移弱,水分重分布主要发生于未冻土区至冻结锋面,且冻结锋面推进速度对水分迁移影响较大,较显著的水分积累出现在冻结锋面推进缓慢时;试样的导湿能力差异导致对计算参数冰阻抗因子敏感程度不同,石英粉试样导湿能力强,对阻抗因子敏感;低含水量土壤的冻结温度场计算可以采用简化的等效热容模型,而当土壤含水量较高,水分流动剧烈时,还应考虑水分迁移对温度场的影响。针对透镜体演变规律的问题,首先对冻结过程中透镜体形成后的生长过程进行了分析:将分凝势理论的建立思路推广,提出了更为一般的同样描述透镜体生长稳态的分凝温度类比法,为建立简单的工程冻胀模型奠定了基础;将透镜体生长的实际过程视为由一系列的稳态组成,建立了描述透镜体准稳态生长过程的模型,在准稳态过程的假设下,透镜体位置确定后,其生长速度将由即时分凝温度唯一决定,这一关系被称为生长特性曲线;针对更为一般的透镜体生长过程,以固体表面吸附水膜理论为基础建立了描述这一过程的新水热耦合模型,模型特别考虑了透镜体生长的必要条件,从两个角度分析了冻结缘的存在对透镜体生长的必要性。随后分析了未冻水膜所产生的分离压力在透镜体形成过程中的重要作用,并给出了平均分离压力的定量计算方法,指出在无外载条件下当分离压力足以破坏土层联系时新透镜体产生,并综合描述单层透镜体生长过程的新水热耦合模型最终建立了描述透镜体反复产生与生长过程的水热耦合分离冰冻胀模型,对模型的历史体系进行了分析,应用有限容积法对模型进行了数值计算,通过徐学祖及Konrad试验验证了模型的适用性,该模型为进一步冻胀问题的研究奠定了基础。针对应用不同冻结模式控制冻胀的问题,采用三端制冷冻融循环试验箱进行了两种冻结模式下的一维冻结试验,获得了温度场随时间、空间的变化及冻胀的发展曲线,两种模式下冻胀发展的对比分析表明:冻结锋面的推进速度影响着冻胀发展,对本文试验土体而言,冻结初始阶段无明显冻胀产生,在冻结锋面趋于稳定后,冻胀开始发展;控制冻深的间歇冻结模式在冻胀产生后冻胀曲线与连续冻结模式不同,呈明显台阶型,冻胀发展受到了抑制,该模式是一种较为有效的冻胀控制的冻结模式。随后对间歇冻结模式控制冻胀的机理进行了分析:提出了末透镜体为传统连续冻结模式应用中冻胀控制的关键透镜体层;利用透镜体生长曲线的定性性质初步揭示间歇冻结方式控制冻胀的机理,指出了该模式下在间歇阶段末透镜体分凝温度升高,其生长状态点降低,末透镜生长被抑制,从而冻胀得到了有效控制;利用透镜体生长的新水热耦合模型进一步分析了间歇冻结模式控制冻胀的机理,指出其台阶型生长曲线中出现的“平台”正是由于间歇阶段锋面退化,冻结缘消失所导致的活动透镜体生长的停止,本文的认识为进一步的冻胀控制奠定了基础。