本书共分6章：第1章介绍了冻土工程随机热力特性研究意义和现状；第2章建立了冻土土性参数随机场描述方法，提出了实用性更广的三角形单元局部平均法；第3章介绍了冻土工程温度场随机有限元分析方法及程序开发原理；第4章推导了冻土本构模型，讨论了模型计算程序的数值实现过程；第5章考虑随机温度对冻土区土体基本力学参数的强烈决定作用，在第3、4章的基础上阐述了冻土工程变形场随机有限元分析方法；第6章基于所构建的随机温度场与变形场模型，分别对寒区的路基工程、管线工程和塔基工程的随机温度场、随机变形场及可靠性进行计算与分析。
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全球冻土分布面积约占陆地面积的50%，其中多年冻土区面积约35x106km2，占陆地面积的25%，我国冻土面积仅小于俄罗斯和加拿大，是世界第三冻土大国。我国的多年冻土地区与季节冻土区域面积约占国土总面积的75%，其中多年冻土地区面积约215X104km2，占全国陆地面积的22.3%。青藏高原是我国乃至世界上面积最大的多年冻土区，冻土面积达147x104km2，占我国多年冻土面积的70%左右。由于特殊的历史、自然、地理、社会等各方面因素的影响，我国多年冻土地区人烟稀少，经济相对落后，经济开发建设活动受交通基础设施落后的制约。随着我国经济建设战略重心逐步向中西部转移以及西部大开发战略的实施，在冻土区大量修建铁路、公路、桥梁、管线等基础设施将成必然，其中以已建成的青藏铁路为代表，建设及维护过程中均投入了大量的物力、人力及财力，青藏高原走廊基础工程的建设与青藏高原的多年冻土密切相关。
冻土是一定历史时期内，大气圈与岩石圈在热质交换过程中形成的。与融土相比，冻土的组成成分除了土矿物颗粒骨架、水和气以外，还包含冰。由于水和冰的存在，冻土的物理、力学、热学和化学性质等都发生急剧的改变。当温度升高，冻土融化时，结构中的冰胶结作用随即产生破坏并发生显著变形，土结构的稳定性降低，压缩性和透水性显著增大，强度降低许多倍，发生局部融化下沉，并常伴随有从承重面挤出的融土。而当土体冻结时，伴随土中孔隙水和外界水补给结晶形成多晶体、透镜体和冰夹层等形式的冰侵入体，导致地表产生不均匀冻胀，这种变形如果超过一定的限度就会使冻土基础上的建筑物产生失稳破坏。在多年冻土地区修筑走廊基础工程会极大地改变多年冻土与大气圈的热质交换条件。由于多年冻土形成和发育条件的改变，必然会导致冻土的物理力学性质发生变化，从而引起一系列的冻土工程地质问题，其中最主要的就是土的冻胀和冻土的融沉问题。在走廊基础工程中，一旦发生基础土体的冻胀和融沉，一般都将产生大幅度的路基不均匀变形，从而使铁路、公路、桥梁、管线等基础设施遭到不同程度的破坏，形成工程灾害。这种工程灾害主要与多年冻土的热力学性状、地基下冻土人为上限的变化特征以及多年冻土的含冰状况有关，其中地基土的热力状态决定着地基强度、变形特征及在未来的发展趋势。同时，由于冻土材料自身的复杂性，以及人们认识客观世界水平和手段的限制，冻土工程系统中往往存在不同程度的误差或不确定性。虽然在多数情况下这些误差或不确定性可能很小，但累计在一起就可能对冻土结构系统的分析和设计产生较大的、意想不到的偏差或不可预知性。因此，在现实冻土工程强度及稳定性分析设计中有必要考虑温度、应力及变形的不确定性因素对结构的影响。
目录
“岩土体热力特性与工程效应”系列丛书序
前言
第1章绪论 1
1.1冻土工程随机热力特性研究意义 1
1.1.1寒区冻土工程简况 1
1.1.2寒区冻土工程随机热力特性研究意义 2
1.2冻土工程随机热力特性研究概况 2
1.2.1岩土参数随机性描述方法 2
1.2.2随机有限元法 8
1.2.3冻土工程随机温度场 14
1.2.4冻土工程随机变形场 18
主要参考文献 21
第2章土性参数随机场描述与离散 31
2.1基本概念 31
2.1.1随机变量 31
2.1.2随机过程 31
2.1.3随机场 32
2.2随机场的数字特征 32
2.3随机场的局部平均理论 33
2.3.1一维局部平均随机场的数字特征 34
2.3.2二维局部平均随机场的数字特征 35
2.3.3相关距离及其计算 38
2.3.4方差折减函数及其计算 39
2.3.5局部平均随机场的独立变换 39
2.4三角形单元局部平均法 40
2.4.1随机场单元的描述及数字特征 41
2.4.2协方差矩阵的解析计算法 43
2.4.3协方差矩阵的数值计算法 45
2.4.4计算实例 47
主要参考文献 50
第3章冻土工程温度场随机有限元分析方法 52
3.1概述 52
3.2控制微分方程与有限元公式 52
3.2.1确定性控制微分方程 52
3.2.2边界条件与初始条件 55
3.2.3确定性有限元分析 56
3.3冻土工程温度场随机分析模型 62
3.3.1热学边界条件随机性描述 62
3.3.2冻土热学参数随机性描述 63
3.3.3随机温度场NSFEM分析 63
3.4冻土工程温度场随机有限元程序开发 66
3.4.1程序原理 66
3.4.2程序研发 69
主要参考文献 69
第4章冻土本构模型及数值算法 70
4.1概述 70
4.2弹性部分与强度准则 71
4.2.1弹性分析 71
4.2.2强度准则 71
4.3屈服面与硬化参数 72
4.3.1屈服函数 72
4.3.2当前屈服面硬化参量及其修正 74
4.3.3参考屈服面硬化参量 76
4.3.4固结参数与潜在强度 77
4.3.5屈服面及潜在强度的演化规律 79
4.4应力-应变关系 80
4.5模型参数获取 84
4.6变刚度算法 86
4.6.1基本思路 86
4.6.2当前状态分析 88
4.6.3加-卸载过程分析 88
4.6.4数值实现过程 92
主要参考文献 93
第5章冻土工程变形场随机有限元分析方法 95
5.1概述 95
5.2控制微分方程与有限元公式 95
5.2.1确定性控制微分方程 95
5.2.2边界条件与初始条件 96
5.2.3确定性有限元分析 96
5.3冻土工程变形场随机分析模型 99
5.3.1冻土力学参数随机性描述 99
5.3.2随机变形场NSFEM分析 99
5.4冻土工程变形场随机有限元程序开发 100
5.4.1程序原理 101
5.4.2程序研发 106
主要参考文献 106
第6章典型冻土工程随机温度场与变形场分析 107
6.1概述 107
6.2路基工程随机温度场与变形场分析 107
6.2.1计算模型与参数 107
6.2.2计算结果与分析 110
6.2.3变形可靠性评价 124
6.3管线工程随机温度场与变形场分析 131
6.3.1计算模型与参数 131
6.3.2计算结果与分析 134
6.3.3变形可靠性评价 141
6.4塔基工程随机温度场与变形场分析 145
6.4.1计算模型与参数 145
6.4.2计算结果与分析 147
6.4.3变形可靠性评价 155
主要参考文献 159
附录：典型冻土工程基础变形可靠性分析代码 161
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