正冻土冻胀是寒区工程产生冻害的关键因素，其冻胀过程是水热力相互耦合的动态作用结果，在开放系统中，温度、温度梯度、含水率、水分补给强度等都是影响正冻土冻胀变形的重要因素。冻土冻胀是水分迁移产生的竖直方向分凝冻胀和原位冻胀的共同作用，其冻胀力学特性属于各向异性。本研究参考规范内土体含冰量随冻结的变化过程，考虑泊松比、地下水位深度、降温速率等因素，得到正冻土的在冻结过程中水平与竖直方向的冻胀系数的计算方法，通过对比粉土和粉质黏土的冻胀系数，与试验结果吻合较好。案例中粉土在-0.2～-3 ℃、0.2～1 m范围内竖向冻胀系数为-1.37×10-3～-7.67×10-3，水平向冻胀系数为-0.81×10-3～-4.85×10-3，差值百分比为10.4%～77.7%，说明考虑分凝冻胀产生的各向异性是必要的。本研究提出的水平与竖直方向的冻胀系数计算方法，可以为科研和设计工作提供参考依据。

湿土冻结过程中,生长发育于冰透镜体与冻结锋面之间特殊的区间带称为冻结缘带。冻结缘作为温度场、水分场和应力场三场耦合作用的结果,是冰分凝的水源补给站,冰水相变发生的剧烈区域以及水分迁移的必经之路,具有重要的研究意义,也是深入认识冻胀机理的基础。通过系统地阐述冻结缘的形成过程、相关理论与试验、微结构特征、参数特征及冻结缘的模型构建等5个方面的研究进展及成果,结合各个方向的发展趋势提出了冻结缘研究的重点,即对冻结缘的研究应回归到试验研究,利用新型测试技术深入对冻结缘微结构的观测,结合物理参数及结构性参数变化构建耦合的冻结缘模型,从而揭示其热力学机理,为冻胀机制分析、冻土精确预报提供理论支撑。

采用自行研制的冻土-群桩室内模型试验装置,研究在地下水补水条件下,土体单向冻结过程中土体与群桩的相互作用;测定在相同含水率条件下,冻结温度分别为-10、-15℃时,冻土的温度场、桩顶上拔位移和桩不同位置处的侧摩阻力随时间的变化趋势。结果表明:在单向冻结过程中,桩周土体温度呈渐变趋势,并且与冻结温度有关;桩顶上拔位移发展有3个阶段,即迅速增长阶段、稳定增长阶段及逐渐平稳阶段,并且冻结温度越低,桩顶上拔位移越大;不同冻结温度的桩周摩阻力沿桩身变化趋势类似,即摩阻力呈现正负交替分布的状态;角桩的桩顶上拔位移和桩侧摩阻力最大绝对值均比中心桩的大。

在深入剖析已建立的饱和正冻土水热力耦合模型不足的基础上,结合冻土力学最新研究成果,基于连续介质力学和热力学定律对原模型进行改进以提高其实用性。首先,引入由冻融过程中的动态变量(应变速率)与温变速率构成的黏弹性耗散势,建立了考虑温度影响的冻土骨架的黏弹性本构关系;在此基础上根据多孔多相介质理论,建立了外载及温度共同作用下冻土骨架的质量守恒方程;其次,在考虑冻土骨架(冰)黏弹性耗散和热力耦合耗散以及水分迁移引起的热对流等主要因素的基础上建立了能量守恒方程;最后,综合各方程构建了准饱和正冻土水热力三场耦合控制微分方程,开发了相应的扩展有限元程序3GEXFEM,通过典型室内试验验证了改进后模型的合理性。

针对冻土冻融过程中存在移动相变界面及材料分区不断变化的特点,基于已建立的能全面地描述冻土的水、热、力与变形实际状态的准饱和冻土耦合模型,推导土颗粒、水和冰颗粒的温度场、变形场及水分场的扩展有限元解析格式,构建水热力相互作用在程序中实现的具体方法,开发一款能够为实际冻土工程服务的耦合分析平台3GEXFEM,利用程序对Fukuda系列试验进行数值模拟,分析得到的温度场、水分场与变形场与试验结果较一致,验证了程序的合理性和先进性。此外,基于程序系统地研究不同环境条件:上覆压力、温度梯度、变温模式、温变速率对冻土冻结过程中水热力耦合的影响,为模型及程序的工程应用奠定了基础。

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。

利用Clapeyron方程来描述冻土内温度、冰压力和水压力的关系,根据质量守恒原理和能量守恒原理,建立一维非饱和冻土水热耦合模型。采用数值模拟和室内试验相结合的方法,对建立的水热模型进行检验。研究结果表明:随着冻结时间的增加,冻土的温度变化由剧烈转成平稳,最后沿高度线性分布;冻土段含水量增大,未冻土段含水量减小;在冰透镜体的存在的地方,孔隙比明显增大,含水量明显增大;模拟结果与实测结果较吻合,验证了该模型的正确性。

基质势是指土壤毛管产生的毛管力和土粒表面的吸附力所引起的吸持水分的能力,基质势是冻土水分迁移研究中的关键参数之一。以往由于测试技术的限制,冻土基质势很难直接测定,制约了冻土水分迁移研究中许多机理性问题的准确回答。本研究通过室内试验的方法,利用新近推出的适用于负温冻结土环境的高精度基质势传感器、SWR水分探头和热敏电阻,直接测量土冻结过程中基质势、未冻水含量、温度和变形的动态变化。试验结果表明,青藏粉质黏土基质势随温度下降而减小,随温度上升而增加,温度达冻结温度时基质势约为-30 kPa。试验发现,土体基质势和土冻结过程中冻胀量变化密切相关,其引起了土冻结过程中的水分重分布,导致了11 cm深度处含水量较试验前增大约3%。不同深度处基质势差值可达400 kPa,冻土中基质势控制了土冻结过程中水分迁移的方向和迁移量,是土冻结过程中水分迁移的动力和源泉。试验结果表明,新型pF meter基质势传感器可以应用于冻土水分迁移研究,为揭示冻土水分的驱动力和水分迁移机理提供新技术和新手段。

为了研究土体冻结过程中温度传导与水分迁移的变化,在不饱和土理查德斯方程的基础上考虑相变作用建立了一维土体冻结过程的水热耦合模型。分别应用有限差分与有限元方法对模型进行离散化,得到两种方法各自的数值计算程序。同时对土体室内单向冻结实验进行模拟,将两种数值方法得到的土体冻结深度、冻结速率与温度变化分别与实验结果进行对比。结果表明:对于一维冻结问题,有限差分模拟更接近实验结果,有限元模拟具有更高的计算稳定性。