随着"一带一路"和极地开发战略的推进,寒区重点工程快速发展。土体冻胀现象对寒区工程运行的稳定性造成了巨大危害,是寒区工程建设中迫切需要解决的问题。冻胀模型是了解冻胀机理、模拟冻胀过程和指导抗冻害措施设计的基础理论。国内外相关领域学者在不同假设条件下提出了许多冻胀模型。为了更加明晰冻胀发生的机理、理清不同冻胀模型的适用范围、提高抗冻害措施的效果,本文总结了理论分析中常用的几种冻胀模型,评价了各种冻胀模型在实际使用中的合理性及不足,介绍了冻胀模型研究的发展趋势及面临的问题。最后,描述了寒区工程冻害现状,并从土质、水分和温度等引起冻害的关键因素出发,与冻胀模型相结合,分析各种抗冻胀措施在工程中的应用效果。

为研究三场(水分场、温度场及应力场)耦合作用下分凝冰的形成规律,通过高低温交变箱进行土体在三场耦合作用下的一维连续冻结实验;根据实验过程中温度传感器、位移传感器采集的数据和实验结束后对末透镜体的测量数据,得出末透镜体形成的时间、厚度及位置。结果表明:温度梯度既对分凝冰的量有影响(温度梯度越大,末透镜体的形成时间越早,厚度越大),又对土体产生应力的大小有影响;外荷载的大小反过来又制约着分凝冰厚度的生长,外荷载越大,末透镜体的形成时间越迟,末透镜体厚度越小。

冻结缘是正冻土中从未冻区向冻结区过渡、并且非常薄的冰水共存带.由于冻结缘在正冻土中位置的特殊性和其对冻胀的重要性,从其概念的提出并在试验中得到证实后,基于冻结缘的第二冻胀理论得到了快速发展.通过分析近些年冻结缘的研究现状及冻结缘内冰-水压力关系基本可以发现,由于受到现有观测和测试技术的限制,描述冻结缘的很多参数大多来自于经验.土体在冻结过程中,在温度梯度小的情况下,可以形成不连续的多层分凝冰.只有了解冻结缘的特性才能更深刻了解分凝冻胀.但关于分凝冰的形成判据却有很多种,主要分为两类:一类是以热物理方面作为判据;另一类是以力学方面作为判据.通过对分凝冰形成的各种判据的综合分析和比较,发现用冰压力和未冻水膜压力判断分凝冰形成是比较合理的,而用孔隙压力则因为水压力概念的不清而显得模糊.这些分析将为冻土冻胀理论的研究提供科学参考.

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。

给出了冻土路基水份迁移问题的二维数值模型 ,提出水头应由重力水头、吸力水头、温度水头和相变界面水头四部分组成 ,定义了温度水头和相变界面水头 ,并给出了相应的确定方法 ;对如何确定有关参数及计算过程进行了阐述 ,并对冻结缘和融化缘形成的机理进行了探讨