为统一水分迁移的源动力,在薄膜水液压驱动力模型和表面吸附力模型的基础上,构建出薄膜水压-吸单元模型。模型分析表明,在净吸力与实际液压(或理论吸力与实际冰压)的双重作用下,产生表面吸附力,驱使水分沿基质表面切向迁移。鉴于表面吸附力与边界条件无关,对任意形式未冻水均成立,因此为水分迁移的统一源动力。据此,将压-吸单元模型引入到冻结缘理论中,发现实际冰压决定分凝冰形成的温度和位置,理论吸力决定水分迁移方向,而表面吸附力决定水分迁移速度。将Konrad试验中的主要参数代入该表面吸附力方程,发现即使温度梯度从0.10℃/cm增加到0.67℃/cm,试样高度从6.4 cm增加到28.0 cm,只要分凝冻结温度和上覆压力保持不变,表面吸附力始终恒定在-23 kPa,从而验证了该表面吸附力方程的正确性。总之,该模型的建立对完善现有冻胀理论与指导工程实践均具有重要的理论价值和现实意义。

寒区输水渠道冻胀破坏直接影响着工程安全及效益发挥,基土冻胀变形及其与结构相互作用共同导致衬砌冻胀破坏发生。采用低温室循环供冷,模型槽底部砂砾石层补水,设计衬砌渠道低温冻胀模型试验,研究渠基土体的温度场、水分场、变形场和衬砌位移之间动态耦合规律,对比观测了冻融试验前后渠基土横剖面物理性状的变化。研究表明:引起基土冻胀变形的水分迁移量及结冰量受温度梯度、冻结速率控制,也受土体初始含水率的制约;渠道断面形状影响渠道的温度边界和热传导,使各部位冻结速率及冻胀变形不一致。渠基土冻结过程中兼有冻胀和挤密,土体受挤压程度同样受渠道衬砌及断面形状的影响,土体内应力复杂。渠基土冻胀与衬砌位移不协调,导致渠底衬砌与土体脱空且偏心受拉。土体冻结时与衬砌间形成接触分凝冰层,传递作用力;温升融化时,接触分凝冰层消融,表层土体强度丧失,造成渠坡滑动失稳破坏和衬砌结构大面积的滑塌。

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。

正冻土在温度梯度大的情况下,冻结锋面快速移动,孔隙水变成冰,造成原位体积膨胀;而通常在天然条件下,温度梯度都不大,水从未冻区向冻结区迁移,在某一个位置引起冰的累积,形成分凝冰。由于此诱发的冻胀要比原位冻胀大很多,因此,建立一个能够模拟土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型尤其重要。基于第2冻胀理论,建立了饱和土体冻胀模型。在模型中,假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数,以计算冻结缘内水压力,再根据克拉方程得到冰压力。根据冰压力的大小作为分凝冰形成判据,研究中假设新的分凝冰形成以后,上一层分凝冰停止生长。模型把水分迁移和冻胀速率当作基本的未知量,模拟了与可天然土体冻胀类似的底部无压补水和顶部加压的冻胀情况。通过数值模拟与试验结果进行对比,初步验证模型的可靠性,其研究结果为实际寒区工程的冻胀预测提供参考。