为了探究哈尔滨季冻区高铁路基冻胀受气态水迁移驱动的影响,依据"锅盖效应"和土水势理论,分析不同含水率下路基在温度势和基质势驱动作用下的气态水迁移规律。实验结果表明:总含水率低于15%时,基质势驱动作用下的气态水迁移量可达0.13%,温度势驱动作用下的气态水迁移量为0.26%,基质势驱动与温度势驱动共同作用;总含水率高于15%时,基质势驱动作用下的气态水迁移量可达1.32%;温度势驱动作用下的气态水迁移量为4.88%,温度势驱动起主导作用。二者共同作用下,路基冻胀受温度势的驱动更为明显。
现有文献几乎尚未系统分析冻结条件下气态水对不同土性含水率的影响。基于热力学平衡理论及水热耦合理论,提出了未冻水含量和冰体积分数的计算方法,建立起新的耦合模型。该模型中最大未冻水含量和冰体积分数仅与水力参数和温度有关,具有明确的物理意义,与砂壤土的冻结试验结果对比也验证了新模型。模型分析结果表明:冻结条件下的气态水迁移主要受温度势而非基质势的作用,粉土和砂土中的气态水迁移是不能忽略的,而黏土中几乎没有气态水迁移;初始体积含水率、冻结温度、冻结时间及地下水位高度等都会对气态水的迁移有影响。总的来说,气态水对于粉土等冻胀敏感性土,即使较小的水分增加仍然能够产生显著冻胀,因此实际工程必须重视气态水的作用。本文分析加深了对"锅盖效应"的理解,也验证了"锅盖效应"通常发生在覆盖层下的粉土区域,而非砂土或黏土。