【摘 要】
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冻土是一种由土颗粒、冰、液态水和气体组成的多相复合体,其中水受环境温度的影响在固相与液相间相互转化,导致冻土的力学特性具有强烈的温度敏感性和流变性,冻土的这种力学特性导致路基土体的冻胀和融沉等病害,为寒区工程建设带来很大的技术难题。我国冻土面积约占国土面积的75%,其中季节性冻土占国土面积的53.5%。近年来,我国越来越多的大型工程项目在季节性冻土区展开,因而对冻土融化过程水热迁移及其应力应变规律
【基金项目】
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国家自然科学基金项目（No.51776049）；
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冻土是一种由土颗粒、冰、液态水和气体组成的多相复合体,其中水受环境温度的影响在固相与液相间相互转化,导致冻土的力学特性具有强烈的温度敏感性和流变性,冻土的这种力学特性导致路基土体的冻胀和融沉等病害,为寒区工程建设带来很大的技术难题。我国冻土面积约占国土面积的75%,其中季节性冻土占国土面积的53.5%。近年来,我国越来越多的大型工程项目在季节性冻土区展开,因而对冻土融化过程水热迁移及其应力应变规律的实验和数值模拟研究具有重要的指导意义。本文通过搭建室内小尺度土壤冻融实验台,采用石英粉作为实验样本,研究冻土融化过程水热迁移及融沉特性机理。研究表明,土壤在融化过程中存在上下两条相变锋面,其中位于上侧的相变锋面的迁移速度快,迁移路径长,是带来土体内温度变化的主要原因。土壤融沉速率呈现先逐渐增加后逐渐减小的趋势,与温度变化相关,且与温度变化存在滞后效应。土体的融沉位移及速度会随着土颗粒粒径的减小和样本顶端融化温度的提高而显著增加。基于传热传质微分方程、达西渗流定律,建立冻土融化热质双场耦合模型,通过COMSOL Multiphysics中的PDE模块进行数值求解,研究无水源情况饱和冻土融化过程的水热迁移特性。结果表明,相变锋面迁移速度主要受融化温度影响,且与温度增长呈非线性关系,随融化温度的提高,迁移速度增长放缓;孔隙水迁移速度则主要受土壤颗粒大小影响,粒径越大,水分迁移速率更快。基于热质双场耦合模型结合一维大应变融化固结理论,建立冻土融化热质力三场耦合模型,通过COMSOL Multiphysics中的PDE模块进行数值求解,研究有水源情况饱和冻土融化过程水热迁移及融沉特性。结果表明,分凝冰的存在使两条相变锋面的迁移变缓,对下锋面迁移产生的阻碍作用尤其明显;相变作用使土体力学性质突变所导致的超孔隙压力增加是水分迁移的主要动力,孔隙水迁移速度远大于无水源工况;水分从土体底部及表层渗出是引起融沉的直接原因。
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