[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

说明书

本发明提供一种上覆压力作用下冻结土体水分迁移模型的构建方法，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。根据冻结缘区内的水分迁移速度可快速预测饱和土体在附加荷载作用下的冻胀率和冻胀量，该发明完善和发展了现有冻胀理论，可指导工程实践。

技术领域

本发明涉及冻土物理学，热力学和流体动力学领域，特别涉及一种上覆压力作用下冻结土体水分迁移模型的构建方法。

背景技术

上覆压力对土(岩)体冻胀有一定的抑制作用，目前主要反映在降低冻结温度和影响水分重分布(驱动力)两方面：

1)上覆压力对土体冻结温度的影响

随着上覆压力的增加，导致矿物颗粒之间的接触应力增大，降低的了土体的冻结温度。《冻土未冻水含量与压力关系的实验研究》(张立新等，《冰川冻土》，第124-127页，1998，20(2))公开了：冻结温度随压力增大呈线性降低，斜率接近于-0.075℃/MPa，因此上覆压力影响了土体中水分的相态转换，在同一土体中，对冻土施加的上覆压力越大，未冻水含量增加的越多，且可用广义Clapeyron方程的固-液相平衡方程来确定上覆压力与冻结温度的降低量。此外，《phenomenon and mechanism of frost heaving》(Kaplar[J].Highwayresearch record，第1-13页1970，304，)认为这种外力作用，实质上是对土体系统做功，而土体克服上覆压力所做的功等于活性薄膜处激发的自由能，因此压力作用下的冻胀是能量的一种转换形式。

2)上覆压力对土体水分重分布(驱动力)的影响

上覆压力会影响水分迁移的驱动力，进而减少冻土中水分向冻结锋面的迁移量。关于荷载对这种驱动力影响，目前有两种意见：

一种是从能量的角度解释了上覆压力对水分迁移的抑制机制，例如：《Thethermodynamics of frost damage to porous solids》(Everett，[J].Physical andInorganic Chemistry，第1541–1551页，1961，57)认为水分迁移的驱动力是土颗粒中冰-水之间的毛细吸力，当上覆压力增加到等于冰-水界面所产生的界面能量时，冻结面就不吸水，土体的冻胀则停止，这时上覆压力被称为“中断压力”，且该“中断压力”与温度条件无关。

一种是从压力的角度解释了上覆压力对水分迁移的抑制机制，例如：《Theunfrozen water and the apparent specific heat capacity of frozen soils》(Anderson，[J].Prceedings of 2th International Conference on Permafrost，第512-521页，1973)认为水分迁移的驱动力是一种负压力，由于冻土中未冻水比自由水具有较低的孔隙水压，且孔隙水压是温度的函数，因此当自由水压为零时，对应的孔隙水压为负值；当施加上覆压力时，孔隙水压由负转正、逐渐增大时，此时迁移驱动力逐渐消失，水分迁移趋近停止。

但是，根据《压力作用下冻结粉质粘土的水分迁移特征》(明锋，2015)主导的冻胀试验发现，当上覆压力为1MPa时，土体的冻胀率接近于零，水分迁移趋向停止。但此时未冻水的冻结温度只降低-0.075℃，对未冻水含量变化的影响很小，几乎可以忽略不计。显然，上覆压力导致冻结温度降低不是抑制水分迁移的主要原因。