土冻结过程中的水分迁移、积聚是冻害形成的关键环节，至今仍是冻土物理学研究的前沿和重要课题。二十世纪七八十年代冻土水分迁移研究黄金时代以后，长期未有经典理论和科学认知的重大突破，冻土水分迁移中涉及的许多机理性问题和关键瓶颈难题至今仍不能准确回答，尚存在很多争议和认识上的不足，现有研究成果在实际工程中的应用并不令人完全满意。因其性质的易变性、微观性和突变性，冻结相变区（冻结缘）仍是冻土水热输运研究中的一个“黑箱”。研究评述了冻土水分迁移驱动力与迁移过程相关研究的发展历程、主要研究进展与现状；分析了孔隙水压力、土水势驱动冻土水分迁移的物理原理和基本规律，综述了孔隙水压力、土水势的理论表征与试验测试等方面的最新进展、认知现状与主要科学问题；分析了三种流行的冻土水分迁移理论，即毛细水迁移理论、薄膜水迁移理论和水汽迁移理论；总结了制约冻土水分迁移科学认知突破的关键瓶颈难题，展望了未来研究的重点和方向。认为未来的研究应加强仪器设备的改进、研发与新技术引入，重点关注冻土水分迁移驱动力的物理本质和精准监测，强化冻土水分迁移的微观过程及机制认识，需从非平衡态热力学的视角关注热质输运与冰-水相变过程，注重工...

针对毛细水迁移机制难以解释冻结缘及不连续分凝冰的形成，薄膜水迁移机制难以解释孔、裂隙间水迁移造成的不均匀冻胀，在毛细理论和冻结缘理论的基础上，通过对冻结缘区增加一组不同孔径的毛细管，对所有毛细管壁增加一层未冻水膜，构建出冻土的毛细-薄膜水分迁移统一模型。该模型从液压驱动角度分析了冻结大孔和未冻小孔中的液压、冰压以及驱动力分布，统一了冰透镜体暖端的液压驱动力与表面吸附力，并结合分凝冰形成机制，推导出分凝-冻结温度的控制方程。再根据表面吸附力、冻结缘渗透系数随分凝-冻结温度的变化律，在达西定律的基础上，给出了水分迁移速度的显式方程。最后，将Konrad冻胀试验中的主要参数代入该显式方程，发现理论计算值与试验值高度一致，验证了该模型的正确性。

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。

λ鉴于毛细理论和薄膜水理论只考虑一种水分迁移机制,难以全面合理揭示土体冻胀机理。根据毛细水和薄膜水在孔隙中的赋存特征,提出以孔径D=0.1μm或横向弛豫时间T2=2.5 ms作为毛细水和薄膜水的判别条件。基于流体动力学和热力学基本原理,分别建立了薄膜水迁移驱动力、广义Clapeyron方程力学和毛细–薄膜水迁移驱动力模型,给出了压力变量和吸力变量之间的换算系数λ;模型分析表明,冻结大孔在弯曲冰–水界面处产生一集中吸力,驱使未冻孔隙中的毛细水和薄膜水向冻结大孔内部迁移;其迁移路径为:未冻孔隙中的毛细水和颗粒表面薄膜水→弯曲冰–水界面→冻结大孔内壁薄膜水。最后,根据粉土在冻结过程中的低场–核磁共振试验,证明了毛细水和薄膜水的分界线,并验证了毛细–薄膜水分迁移模型及迁移路径的正确性。

本文基于Harlan模型和吸附-薄膜理论,首先分析了发生横向水分迁移的水分类型和来源,进而分析了水分发生横向迁移的动力,最终结合已有工程处置方法,给出针对防止水分横向迁移相应的治理措施,并给出下一步研究试验的方向。