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。
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“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
1.3.1 Harlan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
2.1 Harlan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
2.3 Harlan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
5.5.2 Konrad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1 120
6.3.2 算例2 124
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
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