正冻土的冻胀与冻胀力

土体冻胀及冻胀力无论在人工冻结技术应用中还是在天然冻土领域均会引起破坏，威胁各类工程的安全。本书系统地介绍了作者团队在正冻土的冻胀及冻胀力方面的研究成果，主要内容包括土壤冻结过程水热耦合分析，冰透镜体形成机理及试验，冰透镜体生长过程分析，土壤冻结过程水热耦合、水热力耦合分离冰冻胀模型，人工冻结过程中冻胀控制及其机理，一维及二维条件下冻土冻胀力等多方面。本书内容可为人工冻土及天然冻土领域冻胀及冻胀力的研究提供参考。

“岩土体热力特性与工程效应系列专著”序
前言
第1章绪论1
1.1冻胀问题及其研究概述1
1.2冻土中的未冻水研究现状3
1.2.1未冻水的试验测试4
1.2.2未冻水的理论模型5
1.2.3未冻水的经验公式6
1.3土体冻胀理论模型研究现状7
1.3.1Harlan水热耦合模型7
1.3.2水热力耦合模型8
1.3.3分凝势模型10
1.3.4刚性冰模型10
1.3.5不连续冰透镜体模型12
1.3.6热力学模型14
1.4本书结构16
参考文献16
第2章土壤冻结过程水热耦合计算21
2.1Harlan水热耦合模型21
2.2有限容积法21
2.2.1简介21
2.2.2节点方式及节点参数21
2.2.3控制容积积分法22
2.3Harlan模型的有限容积离散23
2.3.1现有数值计算存在的问题23
2.3.2方程系统变形24
2.3.3有限容积离散25
2.3.4特殊节点的离散26
2.3.5时间步长的确定27
2.4水热耦合数值计算及试验对比27
2.4.1石英粉的水平冻结27
2.4.2张掖壤土的竖直冻结30
2.4.3阻抗因子的影响32
2.5水分迁移对温度场的影响33
2.6本章小结36
参考文献36
第3章土体冻胀分凝冰演变规律试验研究38
3.1试验系统38
3.1.1冻结试样筒38
3.1.2边界温度控制系统39
3.1.3加载系统40
3.1.4补水系统41
3.1.5测试系统41
3.1.6数据采集系统43
3.2系统可靠性验证43
3.2.1边界温度稳定性44
3.2.2试验结果重复性44
3.2.3电极板测试可靠性45
3.3试验材料47
3.4试验方案及步骤48
3.4.1试验方案48
3.4.2试验步骤48
3.5试验结果及分析49
3.5.1温度场49
3.5.2暖端补水量52
3.5.3冻胀量53
3.5.4最暖分凝冰层53
3.5.5含水量分布60
3.6本章小结61
第4章土壤冻结冰透镜体形成机理分析与试验测试62
4.1现有判定准则62
4.1.1力学方法62
4.1.2热物理方法63
4.2冰透镜体形成机理分析63
4.2.1固体表面水膜热力学理论63
4.2.2等效水压力65
4.2.3冰透镜体形成判断准则65
4.3高温冻土抗拉性能径向压裂试验研究67
4.3.1径向压裂试验的理论基础68
4.3.2试验材料及设备69
4.3.3试验方案及步骤73
4.3.4试验结果及分析76
4.4本章小结82
参考文献82
第5章水热耦合分离冰冻胀模型84
5.1概述84
5.2透镜体生长过程的理论模型84
5.2.1分凝温度类比法84
5.2.2透镜体生长的准稳态过程模型89
5.2.3透镜体生长的新水热耦合模型92
5.3水热耦合分离冰冻胀模型体系96
5.3.1模型的方程体系96
5.3.2模型的历史体系98
5.4数值计算100
5.4.1数值计算流程图100
5.4.2有限容积离散100
5.4.3五对角阵算法103
5.5模型试验验证104
5.5.1徐学祖试验104
5.5.2Konrad试验106
5.6本章小结109
参考文献110
第6章水热力耦合分离冰冻胀模型111
6.1基本假设及控制方程111
6.1.1物理模型111
6.1.2控制方程112
6.2模型的数值计算114
6.2.1冻胀模型的方程体系114
6.2.2模型的数值格式116
6.2.3数值计算步骤117
6.3模型的试验验证120
6.3.1算例1120
6.3.2算例2124
6.4模型数值计算研究127
6.4.1计算参数127
6.4.2计算结果及分析129
6.5本章小结135
参考文献136
第7章土体冻胀控制的试验与机理分析137
7.1概述137
7.2试验设计137
7.3试验设备和试验材料137
7.4试验步骤和方法140
7.4.1备样和装样140
7.4.2试验准备140
7.4.3试验140
7.5试验结果与分析140
7.5.1连续冻结模式试验140
7.5.2控制冻深的间歇冻结模式试验143
7.5.3两种冻结模式下的冻胀对比分析147
7.6间歇冻结控制冻胀机理分析148
7.7间歇冻结控制冻胀机理的进一步分析150
7.7.1计算参数150
7.7.2试验对比及讨论152
7.8本章小结153
参考文献154
第8章土体一维冻胀力试验与计算预测155
8.1试验系统研制与调试155
8.1.1试验系统研制155
8.1.2试验方案与试验过程158
8.2试验结果与分析160
8.2.1线性增阻约束条件下–20℃冻结试验161
8.2.2线性增阻约束条件下–25℃冻结试验167
8.2.3恒荷载约束条件下–25℃冻结试验170
8.3约束及温度对土体冻胀特性影响174
8.3.1约束及温度对冻胀量影响174
8.3.2约束及温度对冻胀力影响179
8.3.3约束-冻胀量-冻胀应力响应关系183
8.4基于分离冰冻胀理论的冻胀力模拟187
8.4.1冻胀力模型的控制方程187
8.4.2冻胀力与离散透镜体生长过程的关系188
8.4.3冻胀力数值计算分析189
8.5本章小结192
参考文献192
第9章不同侧向边界条件下土体冻胀力试验研究193
9.1概述193
9.2试验系统研制193
9.2.1试验箱体194
9.2.2温度控制系统194
9.2.3荷载约束装置195
9.3试验方案和试验过程195
9.3.1试验方案195
9.3.2试验过程195
9.4试验数据分析196
9.4.1水平冻胀力197
9.4.2温度对水平冻胀力的影响199
9.4.3竖向荷载对水平冻胀力的影响203
9.4.4水平约束刚度对水平冻胀力的影响204
9.4.5法向冻胀量与水平冻胀量、水平冻胀力关系207
9.5本章小结210
第10章冻土内部及其边界切向冻胀力试验研究212
10.1试验系统212
10.2冻结土样试验筒体213
10.2.1不同结构面粗糙度213
10.2.2测试系统215
10.2.3换填土的冻胀量和冻胀力测量216
10.3试验方案216
10.3.1测试内容216
10.3.2试验设计217
10.4冻土-结构面冻胀剪切试验结果与分析218
10.4.1切向冻胀力分析218
10.4.2水平冻胀力分析225
10.5冻土-冻土冻胀剪切试验结果与分析227
10.5.1冻胀量分析227
10.5.2冻胀剪切力分析229
10.6本章小结234
参考文献235