[发明专利]上覆压力作用下冻结土体水分迁移模型的构建方法

权利要求书

1.一种上覆压力作用下冻结土体水分迁移模型的构建方法，其特征在于，构建方法包括如下步骤：

步骤1：获取平衡状态下的理论冰压方程；

步骤2：获取冰透镜体暖端的分凝-冻结温度方程；

步骤3：根据上覆压力、步骤1和步骤2中得到的理论冰压方程、分凝-冻结温度方程获取冰透镜体暖端的迁移驱动力方程；

步骤4：获得冰透镜体暖端的表面吸附力方程；

步骤5：获取冻结缘区的总渗透系数方程；

步骤6：获取冰透镜体暖端的水分迁移速度显式方程，完成上覆压力作用下冻结土体水分迁移模型的构建；

在所述步骤1中，

根据广义Clapeyron方程，可得平衡状态下的理论冰压方程：

式(1)中：P_S0为平衡状态下薄膜水受到的理论冰压；L为水的相变潜热，可取3.34×10⁹cm²/s²；v_S为冰的比容；T_A为纯冰的绝对冻结温度，可取273.15K；T为冰-水界面的温度，T为变量；

在所述步骤2中，具体包括：

步骤2.1：假定冰透镜体形成之前实际冰压等于理论冰压；

步骤2.2：当实际冰压等于上覆压力与分离压力之和时，则会产生新的分凝冰，获取分凝冰形成条件方程；

步骤2.3：根据分凝冰形成条件方程获取冰透镜体暖端的分凝-冻结温度方程；

实际冰压方程为：

结合分凝冰形成机制可知，当实际冰压等于上覆压力与分离压力之和时，则会产生新的分凝冰，即：

P_S＝P_OB+P_sep (3)

分凝冰形成条件方程的获取：式(2)和(3)中：P_S0为平衡状态下薄膜水受到的理论冰压；P_S为实际冰压；P_OB为上覆压力；P_sep为分离压力；

结合公式(2)、(3)，可得分凝冰形成条件方程：

变换公式(3)可得分凝-冻结温度方程：

式(4)和(5)中：T_s为冰透镜体暖端的分凝-冻结温度；

在所述步骤3中，具体包括：

冰透镜体暖端的迁移驱动力方程等于冰透镜体暖端的理论冰压与上覆压力之差：

式(6)中：P_Ld为迁移驱动力，T_s代表冰透镜体暖端的分凝-冻结温度；

在所述步骤4中，具体包括：

步骤4.1：获取压-吸变量热力学换算系数λ，λ＝-v_S/v_L＝-1.09，v_s为冰的比容，v_L是水的比容，λ取-1.09；

步骤4.2：根据迁移驱动力方程和热力学换算系数λ，获取冰透镜体暖端的表面吸附力方程；

式(7)中：P_Lb为表面吸附力，P_Ld为迁移驱动力，λ为压-吸变量的热力学换算系数；

在所述步骤5中：

根据托马斯统计的试验结果可知，未冻结区、冻结缘区和已冻结区之间的渗透系数不同，因此设定未冻结区的渗透系数k_uf，k_uf也为饱和土体在常温条件下的渗透系数，冻结缘区的总渗透系数k_ff，已冻结区的渗透系数k_f，

托马斯推荐的冻结缘渗透系数方程为：

k_ff＝k_uf[1-(T_s-T_f)]^-β (8)

根据所述步骤2得到的分凝-冻结温度方程、公式(8)获取冻结缘区的总渗透系数方程，冻结缘区的总渗透系数方程为：

式(8)和(9)中：β为幂，无量纲；T_f为冻结锋面的冻结温度，可取0℃；k_uf为饱和土体在常温条件下的渗透系数；k_ff为冻结缘区的总渗透系数；

在所述步骤6中，

根据达西定律，结合冰透镜体暖端的表面吸附力P_Lb、冻结缘区的总渗透系数k_ff，获取冰透镜体暖端的水分迁移速度显式方程，完成压力作用下冻结土体水分迁移模型的构建，具体包括：

假设冻结缘区内的水分迁移速度符合达西定律，结合公式(7)、(9)可得水分迁移速度显式方程：

式(10)中，L_t为水分迁移的渗透路径、ρ_w为水的密度、g为重力加速度、V_ff为冰透镜体暖端的水分迁移速度。