通过引入脉冲函数将流量边界条件转化为源(汇)项,冻结锋面处的假想泵从未冻土中抽吸水分并储存在冻结锋面附近的狭窄区域.将水分扩散方程在整体求解域上等效分解为两个方程,避免了处理移动冻融边界的难题.在一个分解方程中引入汇项以表达未冻区水分的流出,在另一个分解方程中引入相同大小的源项以表达冻土中水分的聚集.将移动泵模型相关场方程和变量输入COMSOL M ultiphysics模拟软件的数学模块中,对一个封闭系统非饱和土冻结过程中水分和温度的变化过程进行了数值模拟,将模拟结果与前人试验和模拟结果进行了对比.

地表水热状况是影响地表植被生长、地气能量平衡以及建(构)筑物基础稳定性的重要因素。以北麓河现场监测数据为基础,分析了多年冻土区活动层水热宏观迁移规律以及相应的水热耦合机理。分析结果表明:1)不同深度处土层温度和水分变化规律相似,但温度、水分波动随着深度增加而减小、初始冻结时间也随着深度增加推迟;2)冬季未参加相变的水分占到初始含水量的50%左右;3)土体基质势与含水量有良好的相关性。土壤的温度变化和冻结融化过程明显地受到土壤含水量的影响,p F meter可以应用于冻土水分迁移研究。

首先对作者所建立的基于多孔介质理论的季节冻土水热迁移耦合模型进行数值求解;对模型方程进行修正,并给出了模型方程中参数的确定方法。然后以长春—松原公路段土体为研究对象,对实际工程中冻结情况下水分迁移的情况进行预测;给定模型边界条件对模型求解,将结果与野外实际监测结果进行对比。温度变化对比数据表明,模型可以较好地预测终值情况,而中间过程的误差较大,但是趋势基本一致。水分迁移方向及量的对比数据表明,模型计算结果要小于实测结果,但是整体上计算结果与实测结果的变化趋势较一致,且同样是和最终值吻合较好,误差最小。结果表明,模型计算结果可较好地模拟参数最终值,但存在一定误差。

在多孔介质理论的基础上,基于非线性达西定律并假设水分迁移过程为单向、可逆及水分迁移过程中无溶质迁移,推导得出了无相变以及考虑相变的水分迁移方程;引入土体传热方程和土骨架质量密度变化方程,过程中考虑了冻土中温度变化,扩散和对流,以及水分相变和温度、质量变化之间的相互影响。联立各方程得到了非饱和冻土水热分布控制方程,建立了非饱和冻土水热迁移耦合模型。文中亦对模型中具体参数的确定方法提出了建议。方程属于非线性偏微分方程,无法得出解析解,须采用数值解法。

油管道运行过程会干扰土壤温度和水分的自然运移,为了使水热迁移对冻土状态施加的扰动更为形象化,对冻土力学变化进行数值分析。对水热迁移引起的冻土骨架、孔隙结构的小范围变化进行分析。根据模拟计算结果,水热迁移对冻土施加的作用直观表现为:在环境气温低的月份,冻土应力增大,应变减小;在环境气温高的月份,冻土应力减小,应变增大;这种趋势源于环境气温变化对管道与冻土交互换热幅度及冻土水热运移状态的改变。本质原因:随温度上升,孔隙内的胶质结构被破坏,孔隙结构被挤压变形,表现为孔隙度、孔径变小,水分运移加速,对冻土骨架产生应力、压力作用,同时降低骨架强度。

Harlan模型的基本原理,即把温度场和水分场分别用各自的基本方程进行表述,把未冻水含量作为温度函数,建立两个方程的函数关系,得到冻土的Harlan水—热耦合数学模型.将Harlan模型应用于某铁路路基计算,比较了二场单独作用以及耦合作用的结果,分析了相互作用和影响规律.

在连续统力学的混合物理论框架下研究了冻土的力学 热学性质 ,建立了相应的本构关系 .以此为基础 ,首先给出了层冰形成的一个判别准则 ,研究了孔隙率对冻胀量的影响 ,所得规律能很好地解释已有试验结果 .其次 ,推导出控制冻土水热迁移过程的场方程为具有可动边界的非线性Burgers型方程 ,这一发现为研究土体冻结过程中的非线性效应提供了理论基础 .

从冻结土的宏观力学性质，正冻土中的水、热迁移理论，正冻土的水热力耦合模型四个方面分析综述了国内外冻土力学的发展历史、研究现状与我国冻土力学研究中存在的问题，指出：（１）当前冻土力学的研究内容应该从对冻结上的宏观强度与变形性质向更切合实际工程需要的正冻土、正融土微、细观热、力学耦合性质方面深化；（２）冻土力学的研究思路应该从对土样纯力学量的试验研究向土样组构、级配、含水量、饱和度等土性指标在不同负温下对土样颗粒排列与胶结特性的强度、变形影响机理方面转移；（３）冻土力学的研究对象也应该从室内冻结试验的研究向具有各种不同水热交换边界条件与水热迁移内在规律的冻土体发展。

应用连续介质的混合物理论研究了饱和正冻土中的水热迁移问题。主要结果有：①提出了正冻土中层冰形成的一个判别法则；②将水热迁移问题化为含可动边界的非线性Ｂｕｒｇｅｒｓ方程，为研究冻土水热迁移的非线性效应提供了一个理论上的出发点。