第一章绪论
1.1研究背景及意义
由于土的变异性，土的物理力学性质会随着时间和空间的改变而发生变化。在岩土工程设计过程中，从勘探到试验，从参数选取到设计计算，从现场监测到反演分析等各个环节中，都有着很强的不确定性⑴。岩土工程的状态是由有限个相互独立的参数来确定的，岩土工程设计的可靠度取决于对岩土性质的认识和参数的确定，岩土热学、力学参数的合理取值是解决岩土工程问题的前提和基础，采用具有一定可靠度的参数才能优化工程设计，保证工程安全。而描述岩土状态的参数大多为随机变量，一般来自于试验或者调查统计，用安全系数粗略地估计已经不能满足工程设计可靠性的要求，我们需要用一种随机模型去描述土工参数这个随机变量，非确定性问题自然要用研究非确定性的数学模型一概率论和数理统计来解决，应用概率统计方法可以对这种不确定性进行预测估计。零摄氏度以下并含冰的岩土统称为冻土，它是一种由矿物颗粒、冰、未冻水和气体组成的多成分多相介质，结构构造复杂。冻土对温度极为敏感，且具有流变性，其长期强度远低于瞬时强度特征。冻土作为一种特殊土，其变异性比融土更加显著，所以非常有必要对冻土的物理力学性质进行概率统计分析，为寒区工程设计提供参考依据。根据冻土存在的时间长短，冻土主要可分为季节冻土和多年冻土。多年冻土两年以上都处于冻结状态，而季节冻土只在地表发生冬冻夏融。地球上的冻土分布极为广泛，冻土面积约占全球陆地面积的50%,其中多年冻土约占23%，主要分布在俄罗斯、加拿大、中国和美国等国家。
在自然因素和人为因素共同影响下，多年冻土退化，大部分多年冻土逐渐演变为“高温冻土”（0?-1.5 °C),与低温冻土相比，高温冻土温度区间处于冻土剧烈相变区，对温度极其敏感，物理力学性质极易受温度等外界环境的影响而发生巨大变化，具有较强不确定性和离散性，同时高温会使冻土强度降低，承载力下降，工程稳定性变差[4，5]。多年冻土区常见典型地质问题为融沉和冻胀。频繁的人类的生活生产活动对寒区环境产生了很大影响，改变了热交换条件和水运输过程，使得地温迅速升高，多年冻土开始融化造成融沉，同时冻结过程的水分迁移和体积膨胀又导致冻胀，冻土的冻融循环过程的加速使这两种病害更严重，产生了极大的负面影响，常导致多年冻土环境丧失恢复能力[13]。冻土退化对冻土路基稳定性产生极大的破坏作用，据统计青藏公路85%的路基损坏是由融沉造成的，15%为冻胀和翻楽导致，冻土路基的剧烈冻胀变形一般发生在12月到次年的1月之间，且伴随缓慢融沉过程，剧烈沉降变形发生时间为4-7月。而桥梁和涵洞的损坏主要由冻胀引起，建筑物主要由融沉和冻胀通过地基对基础产生作用而发生破坏。在冻土地区修筑工程，工程与冻土间的相互作用是不可避免的，寒区地质条件复杂多样化，合理的评价土体的热学参数是工程设计中的一个重要问题。多年冻土区冻胀破坏和融沉破坏都会涉及到冻土强度变形和温度场的分析和计算，强度变形计算是地基、路基等稳定性分析的基础，而土体的热参数又是热工计算的基础。因此，对高温冻土热学和力学性质进行研究具有更加重要的意义。
1.2国内外研究历史和现状
1.2. 1概率统计在岩土工程中的应用
概率统计理论最初应用于二战后，被用来解决器材的失效问题。五十年代，苏联和美国科研工作者率先展开了可靠度的研究工作，概率统计理论开始应用在土木工程结构方面。经过长时间的发展，到八十年代，概率极限状态设计方法已经用于各种结构规范标准中，概率与数理统计方法在结构工程中的应用日益广泛。国际标准化组织委员会1986年批准国际标准《结构可靠度总原则》（:iS02394)，该规则是以概率论与数理统计为指导，制定出了结构可靠度设计的总原则。20世纪90年代，港口工程、结构工程、铁路工程、水利工程和公路工程5个行业的“统一设计标准”相继完成，这些规范的颁布制定实施标志着我国的可靠度设计方法进入新阶段。2009年出版的《工程结构可靠性设计统一标准》是国内对结构可靠度研究成果的高度总体和体现，该标准借鉴了国际标准化组织ISO发布的国际标准《结构可靠性总原则》（IS02394)和欧洲标准化委员会CEN批准通过的欧洲规范《结构设计基础》（EN1990: 2002),同时实事求是，结合了国内实际，总结国内工程实践的经验，涵盖了工程结构设计基础的基本内容，是现行工程结构设计的基础标准。
第二章高温冻土热学参数测定及分布规律研究
2.1引言
寒区工程中土地最常见的两种病害是冻胀和融沉，人类活动等使土体表面热交换条件改变，导致路基内多年冻土融化，造成路面翻装、冒泥、路肩滑塌和路面沉陷；同时，由于冻结过程中水分体积的膨胀，致使路基不均匀冻胀，引起道路变形、裂缝、路面凹凸不平，这两种病害都涉及到冻土温度场的分析计算，而土体的热参数是土工计算的基础，不但可以用于天然土体冻融深度、温度场的计算，而且还可以用于与冻土地区建筑工程有关的热工计算中，获得具有一定可靠度的热学参数，对岩土工程设计计算具有重要意义，同时，它在冻土热学性质研究也中占有很重要的位置[15]。土的变异性导致冻土热学性质有较强随机性和离散型，只有通过合理的试验手段和科学的分析方法才能给出具有一定可靠度的热学参数，满足工程设施稳定性评价和设计计算中热参数取值的高要求。冻土的热学参数主要包括导热系数、容积热容量和导温系数等。冻土的热学参数测试方法与其它物质的测试方法一样，但其特殊性为必须维持冻土试样的低温。本章介绍了几种常用的分布规律及其参数估计，通过对大量重复试验得到的热学参数试验数据（用QL-30热分析仪测得高温冻土的导热系数和容积热容量，并由公式计算得到导温系数）进行统计分析，确定高温冻土热学参数的分布规律和变异系数。
第三章高温冻土三轴蠕变特性研究........ 24
3.1引言........ 24
3.2高温冻土三轴蠕变试验 ........24
3.2.1试验设备........ 24
3.2.2试样制备........ 25
3.2.3试验步骤........ 26
3.2.4数据处理........ 26
3.3 蠕变曲线........ 27
3.4高温冻土蠕变模型........ 31
3.4.1现有蠕变模型........ 31
3.4.2现象学蠕变模型........ 33
3.5小结........ 36
第四章蠕变方程参数及长期强度分布........ 37
4.1 引言........ 37
4.2数据处理方法 ........37
4.3蠕变方程参数分布规律........ 38
4.4长期强度统计分析 ........43
4.5 小结........ 45
结论
本文先通过用QL-30热分析仪测得50个青藏高原冻结粉土试样在-1.5°C环境下的导热系数和容积热容量，并计算得到其导温系数，基于两种经典分布模式——正态分布、对数正态分布和K-S检验法，分析上述热学参数的分布规律，确定其分布参数和变异系数。然后对温度为-1.5°C的青藏高原冻结粉土分别在0.5MPa、l.OMPa、2 MPa围压下进行三轴蠕变试验，参考蠕变方程幂函数公式，综合考虑蠕变曲线形状和应力、时间的关系，给出了高温冻土在复杂应力下的现象学蠕变方程。接着考虑到高温冻土三轴蠕变试验时间较长，所需样本较大，提出了一种组合方法来扩大蠕变参数的样本容量，应用概率论及数理统计知识对蠕变方程参数进行统计分析，应确定出高温高温冻土蠕变方程参数均值、变异系数和概率分布。然后根据长期强度方程确定出高温冻土的长期强度（100年），用三种经典分布模式（正态分布、对数正态分布、Weibull分布）和K-S检验法，确定其分布规律，并得到不同可靠度下的统计长期强度。
1.高温冻土热学参数即使在相同条件和状态下也具有很强的离散性，并发现高温冻土的热学参数服从一定的统计规律，其中正态分布对热学参数分布规律的拟合效果较好。
2.同一围压下加载应力不同，蠕变曲线走势不同，曲线走势和强度极限值(ora3)u有关，当加载应力大于极限值时，高温冻土出现非衰减蠕变；小于极限值时，只出现衰减蠕变。蠕变持续的时间决定于荷载大小，当荷载作用很大时，蠕变曲线第二阶段明显缩短。
3.本文给出的高温冻土现象学蠕变模型参数少，便于实用，且不论用不同系数分别对试验曲线进行拟合，还是用同一组系数对蠕变曲线簇整体进行拟合，拟合度都很高。
4.高温冻土力学性质（蠕变特性和长期强度）也具有很强的离散性和随机性。对数正态分布可以更好地描述高温冻土复杂应力下的蠕变方程参数分布规律，其中蠕变方程参数a、b的离散性较大，参数c变离散性相对较小。Weibull分布对高温冻土的长期强度分布拟合较好，基于Weibull分布得到可靠度为0.90、0.95和0.99时的高温冻土统计长期强度，可为寒区工程工程设计提供一定参考。
参考文献
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