本書共分6章：第1章介紹了凍土工程隨機熱力特性研究意義和現(xiàn)狀；第2章建立了凍土土性參數(shù)隨機場描述方法，提出了實用性更廣的三角形單元局部平均法；第3章介紹了凍土工程溫度場隨機有限元分析方法及程序開發(fā)原理；第4章推導了凍土本構模型，討論了模型計算程序的數(shù)值實現(xiàn)過程；第5章考慮隨機溫度對凍土區(qū)土體基本力學參數(shù)的強烈決定作用，在第3、4章的基礎上闡述了凍土工程變形場隨機有限元分析方法；第6章基于所構建的隨機溫度場與變形場模型，分別對寒區(qū)的路基工程、管線工程和塔基工程的隨機溫度場、隨機變形場及可靠性進行計算與分析。
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全球凍土分布面積約占陸地面積的50%，其中多年凍土區(qū)面積約35x106km2，占陸地面積的25%，我國凍土面積僅小于俄羅斯和加拿大，是世界第三凍土大國。我國的多年凍土地區(qū)與季節(jié)凍土區(qū)域面積約占國土總面積的75%，其中多年凍土地區(qū)面積約215X104km2，占全國陸地面積的22.3%。青藏高原是我國乃至世界上面積最大的多年凍土區(qū)，凍土面積達147x104km2，占我國多年凍土面積的70%左右。由于特殊的歷史、自然、地理、社會等各方面因素的影響，我國多年凍土地區(qū)人煙稀少，經(jīng)濟相對落后，經(jīng)濟開發(fā)建設活動受交通基礎設施落后的制約。隨著我國經(jīng)濟建設戰(zhàn)略重心逐步向中西部轉移以及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，在凍土區(qū)大量修建鐵路、公路、橋梁、管線等基礎設施將成必然，其中以已建成的青藏鐵路為代表，建設及維護過程中均投入了大量的物力、人力及財力，青藏高原走廊基礎工程的建設與青藏高原的多年凍土密切相關。
凍土是一定歷史時期內，大氣圈與巖石圈在熱質交換過程中形成的。與融土相比，凍土的組成成分除了土礦物顆粒骨架、水和氣以外，還包含冰。由于水和冰的存在，凍土的物理、力學、熱學和化學性質等都發(fā)生急劇的改變。當溫度升高，凍土融化時，結構中的冰膠結作用隨即產生破壞并發(fā)生顯著變形，土結構的穩(wěn)定性降低，壓縮性和透水性顯著增大，強度降低許多倍，發(fā)生局部融化下沉，并常伴隨有從承重面擠出的融土。而當土體凍結時，伴隨土中孔隙水和外界水補給結晶形成多晶體、透鏡體和冰夾層等形式的冰侵入體，導致地表產生不均勻凍脹，這種變形如果超過一定的限度就會使凍土基礎上的建筑物產生失穩(wěn)破壞。在多年凍土地區(qū)修筑走廊基礎工程會極大地改變多年凍土與大氣圈的熱質交換條件。由于多年凍土形成和發(fā)育條件的改變，必然會導致凍土的物理力學性質發(fā)生變化，從而引起一系列的凍土工程地質問題，其中最主要的就是土的凍脹和凍土的融沉問題。在走廊基礎工程中，一旦發(fā)生基礎土體的凍脹和融沉，一般都將產生大幅度的路基不均勻變形，從而使鐵路、公路、橋梁、管線等基礎設施遭到不同程度的破壞，形成工程災害。這種工程災害主要與多年凍土的熱力學性狀、地基下凍土人為上限的變化特征以及多年凍土的含冰狀況有關，其中地基土的熱力狀態(tài)決定著地基強度、變形特征及在未來的發(fā)展趨勢。同時，由于凍土材料自身的復雜性，以及人們認識客觀世界水平和手段的限制，凍土工程系統(tǒng)中往往存在不同程度的誤差或不確定性。雖然在多數(shù)情況下這些誤差或不確定性可能很小，但累計在一起就可能對凍土結構系統(tǒng)的分析和設計產生較大的、意想不到的偏差或不可預知性。因此，在現(xiàn)實凍土工程強度及穩(wěn)定性分析設計中有必要考慮溫度、應力及變形的不確定性因素對結構的影響。
目錄
“巖土體熱力特性與工程效應”系列叢書序
前言
第1章緒論 1
1.1凍土工程隨機熱力特性研究意義 1
1.1.1寒區(qū)凍土工程簡況 1
1.1.2寒區(qū)凍土工程隨機熱力特性研究意義 2
1.2凍土工程隨機熱力特性研究概況 2
1.2.1巖土參數(shù)隨機性描述方法 2
1.2.2隨機有限元法 8
1.2.3凍土工程隨機溫度場 14
1.2.4凍土工程隨機變形場 18
主要參考文獻 21
第2章土性參數(shù)隨機場描述與離散 31
2.1基本概念 31
2.1.1隨機變量 31
2.1.2隨機過程 31
2.1.3隨機場 32
2.2隨機場的數(shù)字特征 32
2.3隨機場的局部平均理論 33
2.3.1一維局部平均隨機場的數(shù)字特征 34
2.3.2二維局部平均隨機場的數(shù)字特征 35
2.3.3相關距離及其計算 38
2.3.4方差折減函數(shù)及其計算 39
2.3.5局部平均隨機場的獨立變換 39
2.4三角形單元局部平均法 40
2.4.1隨機場單元的描述及數(shù)字特征 41
2.4.2協(xié)方差矩陣的解析計算法 43
2.4.3協(xié)方差矩陣的數(shù)值計算法 45
2.4.4計算實例 47
主要參考文獻 50
第3章凍土工程溫度場隨機有限元分析方法 52
3.1概述 52
3.2控制微分方程與有限元公式 52
3.2.1確定性控制微分方程 52
3.2.2邊界條件與初始條件 55
3.2.3確定性有限元分析 56
3.3凍土工程溫度場隨機分析模型 62
3.3.1熱學邊界條件隨機性描述 62
3.3.2凍土熱學參數(shù)隨機性描述 63
3.3.3隨機溫度場NSFEM分析 63
3.4凍土工程溫度場隨機有限元程序開發(fā) 66
3.4.1程序原理 66
3.4.2程序研發(fā) 69
主要參考文獻 69
第4章凍土本構模型及數(shù)值算法 70
4.1概述 70
4.2彈性部分與強度準則 71
4.2.1彈性分析 71
4.2.2強度準則 71
4.3屈服面與硬化參數(shù) 72
4.3.1屈服函數(shù) 72
4.3.2當前屈服面硬化參量及其修正 74
4.3.3參考屈服面硬化參量 76
4.3.4固結參數(shù)與潛在強度 77
4.3.5屈服面及潛在強度的演化規(guī)律 79
4.4應力-應變關系 80
4.5模型參數(shù)獲取 84
4.6變剛度算法 86
4.6.1基本思路 86
4.6.2當前狀態(tài)分析 88
4.6.3加-卸載過程分析 88
4.6.4數(shù)值實現(xiàn)過程 92
主要參考文獻 93
第5章凍土工程變形場隨機有限元分析方法 95
5.1概述 95
5.2控制微分方程與有限元公式 95
5.2.1確定性控制微分方程 95
5.2.2邊界條件與初始條件 96
5.2.3確定性有限元分析 96
5.3凍土工程變形場隨機分析模型 99
5.3.1凍土力學參數(shù)隨機性描述 99
5.3.2隨機變形場NSFEM分析 99
5.4凍土工程變形場隨機有限元程序開發(fā) 100
5.4.1程序原理 101
5.4.2程序研發(fā) 106
主要參考文獻 106
第6章典型凍土工程隨機溫度場與變形場分析 107
6.1概述 107
6.2路基工程隨機溫度場與變形場分析 107
6.2.1計算模型與參數(shù) 107
6.2.2計算結果與分析 110
6.2.3變形可靠性評價 124
6.3管線工程隨機溫度場與變形場分析 131
6.3.1計算模型與參數(shù) 131
6.3.2計算結果與分析 134
6.3.3變形可靠性評價 141
6.4塔基工程隨機溫度場與變形場分析 145
6.4.1計算模型與參數(shù) 145
6.4.2計算結果與分析 147
6.4.3變形可靠性評價 155
主要參考文獻 159
附錄：典型凍土工程基礎變形可靠性分析代碼 161
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