颗粒的排列方式是影响冻土热参数的一个重要因素。为探究不同土颗粒排列形式下冻土热参数变化规律,从土微观角度对相体间排列形式及相体间热传递进行研究。冻土中土颗粒、水、冰、空气之间接触方式可分为同相体间接触和异相体间接触,接触方式影响土体热量传递效率。同相体间热量为等梯度传递;异相体间热量为非等梯度传递,而是沿着某条路径传递。依据土颗粒的两种空间排列方式,即松散排列与紧密排列并以此建立热传递模型,依据导热系数理论公式推导出基于土颗粒两种排列方式下的导热系数计算模型。空气在冻土未冻水中形成腔体,腔体的存在阻碍着热流的传递并在此基础上讨论空气含量对导热系数的影响。

针对冻土热参数、土水势在不同温度条件下的变化趋势缺乏统一表述的问题,提出了冻土冻结势概念。为通过不同温度下的热参数和土水势变化率得到冻结势的表达式,首先,基于Johansen法反演不同温度下的冻土未冻水含量,根据未冻水含量计算出冻土热参数理论值,得出热参数在不同温度下的变化率;其次,通过土水特征曲线研究了冻土土水势随未冻水含量的变化关系,得出了冻土土水势在不同温度下的变化率;最后,根据以上计算结果拟合出了冻结势函数。研究结果表明:热参数及土水势在不同温度下产生不均匀变化的根本原因是未冻水含量的不均匀变化;随着土体温度的降低,未冻水含量、土水势、热参数先发生剧烈变化,随后变化趋势减缓并趋于某一数值;在温度为0～-5℃时,冻土冻结势急速发展,当温度低于-5℃时冻结势发展趋缓,由此得出0～-5℃是重塑冻土热参数和土水势性质的剧变区间。在此基础上,依据冻结势函数拟合出一种考虑温度变化的导热系数计算方法,该计算方法能较好地预测不同温度下冻土的导热系数。

为提升冻土温度场预测精度和减少热参数测试工作量,根据饱和冻土的土、水、冰三相组成,对基于导热系数的冻土未冻水含量反演公式进行了推导。根依据干土和饱和土体的二相构成,推导了适用于土体矿物导热系数预估的计算公式。实测了粉质黏土在不同负温下的比热和导热系数值,分别结合比热确定未冻水含量的递推方法和基于导热系数建立的冻土未冻水含量反演公式,计算得到了粉质黏土在不同负温下的未冻水含量。基于实测和反演获取的未冻水含量,确定了随不同负温变化的冻土导热系数、比热和潜热。将基于冻土未冻水含量确定的热参数代入数值计算软件ABAQUS,获取不同计算热参数下的冻土瞬态温度场计算值。分别将各温度场计算值与模型试验实测值进行了比较,结果表明,从未冻水含量角度出发对冻土温度场计算用热参数的测试工作量进行缩减是可行的;基于Johansen法反演获取未冻水含量,进而确定的热参数能够较好地预测冻土温度场。

为评估热参数对饱和冻土瞬态温度场的影响,分析冻土温度场的影响因素,提出一种最紧密排列的土柱几何模型,土柱外部被自由水充满.假定冻结在土柱围合区域的中心产生并呈柱状发展,根据任意时刻单元体内部土、水和冰的体积构成,依据Johansen的预估土体导热系数计算方法,建立未冻水含量与导热系数之间的计算关系.依据比热加权计算的原理,结合土体的相对密度及水和冰的密度,获取了土柱模型在不同冻结时刻各相的质量比,确定了未冻水含量与比热之间的计算关系.依据不同冻结时刻土柱模型中的未冻水含量,建立潜热随冻结时刻的变化关系.根据实测粉质黏土的导热系数,结合土柱模型获取其比热、潜热随温度的变化关系.将获取的不同温度下的导热系数、比热和潜热值代入数值计算软件ABAQUS,获取了冻土温度场的计算值.将该计算值与实测值进行对比,表明基于该模型获取的计算热参数值能够较好地预测冻土温度场.

为评估热参数取值对冻土温度场的影响,将导热系数、比热、潜热作为冻土温度场的影响因素进行试验设计。通过室内试验测定了饱和粉质粘土在不同负温下的导热系数、比热及潜热值,并基于Johansen法提出了考虑冻土未冻水含量的热参数修正算法,按照变参数和常参数形式代入数值分析软件ABAQUS,获取了不同的温度场计算值。将不同负温下的热参数和某负温阶段的平均热参数代入数值分析软件,分析热参数变化对冻土温度场的影响。依据冻结试验获取了冻结150 h的模型箱温度场实测值,并将计算值与实测值进行了比较。结果表明:不同的热参数对冻结初期影响较大,随着冻结的深入各计算值间的差值逐渐缩小。采用一定负温阶段的平均热参数作为恒定热参数进行数值计算,从微观上不能满足精度要求。潜热是影响冻结温度场计算精度的主要因素,考虑不同负温土体导热系数、比热、潜热的计算更接近于实测值。研究成果为寒区水利工程设计和施工提供参考。

提出了应用线热源法测量冻土热参数存在的问题,冻土中未冻水含量随温度的变化是导致线热源法测量误差产生的根本原因。对二维无限大——点热源热传导方程进行简化得到一维中心对称——热流边界热传导方程。采用双针法对不同温度的环刀土样进行了测试并对冻土传热过程进行数值试算,反演得到不同温度的相变热容和未冻水含量。结果表明:当温度大于-0.7℃时,相变热容值远远大于冻土体积热容并且随温度急剧变化,线热源法测量的结果严重失真;当温度介于-0.7-4℃时,线热源法测量结果仍有较大的误差;当温度低于-4℃时,相变热容值很小且比较稳定,线热源法测量的热参数能满足一定的精度要求。

土体热参数是寒区工程温度场预测和稳定性分析至关重要的参数。根据冻土温度场计算的特点,建立冻土一维相变热参数估计模型,采用非线性有限元法得到土体温度场,基于一种非常快速的模拟退火(VFSA)算法对热参数进行反分析。考虑各个参数的敏感度因子和土体分层情况,将热参数分组、分步进行反演,克服参数较多反演困难的缺陷。以青藏公路多年冻土区监测断面下土体反分析为例,反演分析冻土路基下部不同土层的导热系数、体积热容量和孔隙率等参数。最后,运用参数反演结果对温度场进行预测,经检验和与实测地温对比,表明参数反分析结果可靠,有较高的精度,该方法可用于实际工程。