[发明专利]冻结土体模型、冻结土体水分迁移模型的构建方法

说明书

本发明提供了一种冻结土体模型以及一种冻结土体水分迁移模型的构建方法。其中，冻结土体模型包括：依次排列的已冻结区、冻结缘区和未冻结区，已冻结区靠近冻结缘区的一侧形成冰透镜体，已冻结区远离冻结缘区的一侧施加朝向冻结缘区的上覆压力；冻结缘区内设置有土颗粒基质、多个不同直径的毛细管，每个毛细管穿过土颗粒基质连通冰透镜体和未冻结区；第一数量毛细管内形成孔隙冰，土颗粒基质和第一数量的毛细管的内壁表面形成未冻水膜；第二数量的毛细管的内壁形成未冻水膜，且在毛细管内部充满毛细水。本发明提出的冻结土体模型，将毛细水迁移机制和薄膜水迁移机制相结合，可以全面合理地解释土体冻胀现象。

技术领域

本发明涉及冻土物理学，基本热力学和流体动力学领域，特别涉及一种冻结土体模型以及一种冻结土体水分迁移模型的构建方法。

背景技术

对于冻胀机理的研究，目前有两种冻胀理论为人们广泛接受。即：Everett(1961)提出的毛细理论，也被称为第一冻胀理论。认为毛细吸力是冰分凝过程中水分迁移的驱动力，并对冻胀量和冻胀力进行定量的估计。然而，毛细理论不能解释冻结缘和不连续分凝冰的形成，也低估了细颗粒土的水分迁移速度和冻胀力。鉴于毛细理论的不足，Miller(1978)提出了冻结缘理论，也被称为第二冻胀理论。认为在冻结锋面和最暖冰透镜底面存在一个低含水量、低导湿率和无冻胀的区域，称为冻结缘，水分在温度梯度等广义驱动力作用下，通过颗粒表面的薄膜水向冰透镜体暖端迁移，导致冰透镜体的生长。然而冻结缘理论没有考虑未冻毛细水的影响，难以解释不均匀冻胀现象，因此均需要进一步改进。

目前，有两种水分迁移机制为大家广泛认可，即：毛细水迁移机制和薄膜水迁移机制。然而，国内外学者仅从单一水分迁移机制进行研究，尚未见学者将上述两种水分迁移机制有机结合，因此缺乏一种全面合理解释土体冻胀现象的毛细-薄膜水分迁移机制模型。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种冻结土体模型。

本发明的另一个目的在于提供一种冻结土体水分迁移模型的构建方法。

为了实现上述目的，本发明的技术方案提供了一种冻结土体模型，包括：依次排列的已冻结区、冻结缘区和未冻结区，已冻结区靠近冻结缘区的一侧形成冰透镜体，已冻结区远离冻结缘区的一侧施加朝向冻结缘区的上覆压力，冰透镜体靠近冻结缘区的一侧为冰透镜体暖端，冻结缘区靠近未冻结区的一侧形成冻结锋面；冻结缘区内设置有土颗粒基质、多个不同直径的毛细管，每个毛细管穿过土颗粒基质连通冰透镜体和未冻结区；其中，第一数量毛细管内形成孔隙冰，第一数量的毛细管内形成弯曲冰-水界面；土颗粒基质和第一数量的毛细管的内壁表面形成未冻水膜，第二数量毛细管内未结冰，第二数量的毛细管的内壁形成未冻水膜，且在毛细管内部充满毛细水。

根据本发明提出的冻结土体模型，该模型包括依次排列的已冻结区、冻结缘区和未冻结区，通过已冻结区、冻结缘区和未冻结区模拟自然界冻土的基本结构，通过冻结缘区内设置有土颗粒基质、多个不同直径的毛细管，每个毛细管穿过土颗粒基质连通冰透镜体和未冻结区，通过毛细管来模拟自然形成的冻土中的已冻结区、冻结缘区和未冻结区之间的孔隙，且第一数量毛细管内形成孔隙冰，第一数量的毛细管内形成弯曲冰-水界面；土颗粒基质和第一数量的毛细管的内壁表面形成未冻水膜，根据已结冰的第一数量的毛细管的管壁表面形成的未冻水膜来获取薄膜水迁移的数据，通过未结冰的第二数量的毛细管的内壁形成未冻水膜，且在毛细管内部充满毛细水，获取冻结缘区的毛细水的迁移数据，使得本模型既可以提供冻结缘区域的毛细水迁移数据，又提供了毛细管内部的薄膜水迁移数据，从而使得冻结土体模型可以将毛细水迁移机制和薄膜水迁移机制结合起来，以全面合理解释土体冻胀现象的毛细-薄膜水分迁移机制模型。

进一步地，多个毛细管的孔径取值范围为0.1μm～1000μm。

进一步地，多个毛细管按直径呈正态分布，且多个毛细管随机分布于冻结缘区域内。