基于未冻水膜压力判据的冻土水热力耦合冻胀模型研究

摘要：

冻胀融沉是多年冻土区的主要病害,其受水分场、温度场、应力场的复杂耦合作用影响.基于水膜理论提出了冻土未冻水膜压力作为冰透镜体生成的判据,并重新对水分迁移驱动作用进行描述,建立了以温度、土体孔隙比为变量的全耦合模型.通过考虑已冻区冰基质的影响,推导了涵盖原位冻胀与冰分凝两部分的冻胀量计算公式.基于Matlab和COMSOL Multiphysics的联立平台,提出了模型冰透镜体实时分布的数值求解方法,实现了冻土温度、水分、应力、冰透镜体分布的全耦合数值求解.通过与室内土柱冻结试验及现有水热力模型(Thermal-Hydraulic-Mechanical,又称THM模型)冻胀量结果进行对比分析,证明了温度、含水率与冻胀计算上的可靠稳定.最后通过探讨温度梯度、上覆压力、渗透系数与压缩模量对土柱冻结的影响发现,温度梯度能显著增加土体冻胀量,上覆压力会导致更多水分向冻结锋面迁移,但对冻胀量起着抑制作用,渗透系数与压缩模量均对冻胀量产生正影响.为冻胀理论研究与数值实现提供了新思路.

关键词：冻土、水热力耦合、冰透镜体、水膜理论、冻胀融沉

所属期刊栏目：45

分类号：TU445(土力学、地基基础工程)

资助基金：国家自然科学基金;国家自然科学基金;国家自然科学基金;湖南省湖湘青年英才项目;湖南省研究生科研创新项目;中南大学研究生自主探索创新项目

在线出版日期：2023-06-09（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）

页数：共11页

页码：997-1007