冻土渗透系数是冻土水热模型的关键参数。在当前数值计算过程中，多采用的是渗透系数经验模型，而经验模型的最大缺陷是其经验参数并不适用于所有土体。鉴于渗透系数理论模型具有较强的普适性，故考虑将渗透系数理论模型用于水热耦合计算。为评价理论模型的适用性，本文选取四组饱和冻土的渗透系数模型，以三个水热耦合模型算例为基础，通过比较渗透系数及冻胀变化趋势，对四组饱和冻土渗透系数模型的有效性进行分析。结果表明，理论模型预测结果受颗粒级配曲线及冻结特征曲线影响明显。四组理论模型均可以反映冻土渗透系数变化规律，而分形模型的预测效果最佳。推荐采用未冻水含量为变量，计算冻土渗透系数。研究成果可为准确预测冻胀提供基础。

以青海典型黄土隧道为背景,考虑隧道洞口段围岩的水热耦合环境,以含水率16%,18%黄土作为围岩材料,以有机玻璃为衬砌和洞门材料,进行相似比1∶50的寒区隧道洞口段室内模型试验,对冻胀作用下衬砌应力进行分析,并采用数值模拟方法对冻结过程进行温度场-应力场耦合计算。结果表明:2种含水率下围岩温度变化规律相似;随着含水率增大,围岩温度下降速率变快,衬砌切向应力和径向应力均增大;距温度加载位置越近,围岩温度下降速率越快;数值模拟结果与模型试验存在一定误差,但变化规律一致。

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。

土体冻结和融化时的水分迁移、相变与传热是一个相互影响的耦合过程。采用基于有限体积法的开源软件Open FOAM,编制描述土体冻融过程的水热耦合计算程序。首先,基于土体水分和热量迁移基本方程、水分相变与温度的平衡方程,同时考虑相变对水分特征参数和热特性参数的影响以及相变潜热对传热过程的影响,建立冻土水热耦合数学模型。然后,采用基于多面体网格的有限体积方法对水热耦合控制方程进行空间离散,采用全隐式向后差分方法对方程进行时间离散,由此编制冻土水热耦合计算程序。该程序具有良好的几何适应性、质量和能量守恒性,具备面向复杂问题的并行计算功能。最后,采用该程序对两组不同温度边界条件的室内土体冻结试验进行数值模拟,并与试验结果进行对比,结果表明该程序可以较为准确地模拟土体冻结过程中温度场和水分场的演化特征。

以川藏铁路东段的季节性粗颗粒冻土边坡为研究对象,通过建立一个考虑积雪、渗流和年循环气温作用下的带相变的瞬态水热耦合的饱和-非饱和的多孔多相介质数值计算模型,结合野外实测,分析季节性粗颗粒冻土边坡的温度场、水分场的分布特征、冻结深度及其影响因素。研究结果表明:积雪消融入渗改变季节性粗颗粒冻土的水分场,地表可形成最大0.8 m的暂态饱和区。水分场的动态变化提高了热传递速度,增强了冻结能力,边坡冻结深度增大60%,冻结速率增大30%,融化速率增大200%。地下水热对流作用抑制土体冻结,加速土体融化,其中坡脚地下水出露边坡的冻融深度为地下水深埋边坡的63%,冻结速率为79%,融化速率增大1倍。川藏铁路新都桥地区季节性粗颗粒冻土边坡的冻结深度为1.0 m,最大可达到1.9 m。边坡不同位置的冻结深度不同,在坡肩处最高,坡脚处最低;进入融化期后,因冻结深度小及地下水热流作用,坡脚处最先融化。

多年冻土内部的水热过程是影响冻土区生态环境演变、干旱区水资源利用及地表工程结构稳定性的重要因素。然而传统的水热耦合理论模型忽略了非饱和土体中水分对流传热作用,在水分场与温度场耦合理论模型的数值实现上仍有困难。以垂直土柱单向冻结实验为基础,通过COMSOL Multiphysics软件的数学模块实现考虑冰水相变和水分对流的温度场和水分场偏微分方程的耦合求解,分析了冻土水分对流与温度变化的关系。结果表明:(1)COMSOL可以实现冻土水热参数、冰水相变潜热以及边界条件的灵活定义,容易实现水热两场耦合分析;(2)对于含水量较高的土体,水分对流传热作用不可忽略。

青藏高原地区冻土正呈退化趋势,除气候变化、人为活动的影响外,沙漠化也被认为是冻土退化的原因之一,但仍存在较大争议。基于不饱和土渗流和热传导理论,结合CoLM和CoupModel模型,初步构建了积沙-冻土-水热概念模型和耦合模型。并在两模型的基础上,讨论了沙层反射率、积沙体热容量、积沙体厚度和沙的传热率等参数对下伏冻土的热影响过程。结果表明,沙层的反射率、地面发射率均高于天然地表,沙层接受的热量较天然地表偏少;积沙地表下的沙层和活动层能截留更多热量,使冻结层获得的热量相对减少;沙的导热性较差,导致积沙地表下地温变化出现延迟,从而延缓冻土退化;同时,积沙无论厚薄,都将起到延缓冻土退化的作用。因而,沙漠化对青藏高原冻土退化的影响可能较小,但全面揭示沙漠化对冻土的影响仍需深入研究。

基于含相变的瞬态温度场控制方程和水分场扩散方程,考虑温度梯度水分扩散率的影响,建立了水热耦合形式下的等效温度场控制方程。根据风火山地区的冻土资料和气象资料,模拟聚氨酯保温层厚度为60 mm的顺序输送成品油管道6—9月对该地区冻土温度场造成的影响。结果表明,当输送90号汽油和-20号柴油且输送时间在50 h以内,经过该地区管段周围冻土的温升为0～0.5℃,运行1个月后最大温升可达0.8℃,运行2个月后最大温升可达1.1℃。根据模拟的管道中心处地温的变化趋势,7月23日—9月7日可输送冷滤点为-1℃的0号柴油。

路基冻胀融沉是多年冻土区路基的主要病害。冻胀融沉病害与土体水分迁移以及温度变化密切相关,而冻土温度变化和水分迁移又会相互影响。基于非饱和土渗流和热传导理论,建立冻土水热耦合问题的联合求解微分方程;然后采用COMSOL Multi-physics软件进行二次开发,实现冻土温度场和水分场全耦合数值模拟;进而将数值模拟结果与土柱冻结和融化实验的结果进行对比,验证水热耦合数值模拟模型的有效性;最后以青海省玛多县地区路基为例,研究多年冻土路基中温度场与水分场的分布和变化规律。