双梯度驱动的非饱和冻土水热耦合模型

摘要

青藏高原冻土地区的地质灾害与冻土因冻融作用引起的水分重分布密切相关,其实质是复杂水热耦合作用的结果。已有的冻土水热耦合模型较多关注未冻水含量梯度驱动引起的水分迁移过程,而缺乏对温度梯度驱动效应的探讨。基于经典热传导方程和非饱和土体渗流理论,考虑未冻水含量梯度和温度梯度的共同作用,建立了双梯度联合驱动作用下的非饱和冻土水热耦合模型。在采用已有试验数据对模型有效性进行验证的基础上,分别对-5、-10和-15℃3种环境气温条件下土体的水热响应开展了数值模拟。结果表明:温度梯度在冻结过程中对于水分迁移的驱动作用不可忽略;冻结过程中由于冰水相变释放潜热造成冻结速率逐渐减慢;土中水分聚集的位置处于冻结初期形成的冻结锋面处,且外界气温越低,内外温差越大,则土体水分发生聚集的位置越深,水分迁移量相对也越大,冻结过程中土体水分随深度呈S型分布;-5、-10和-15℃环境温度下含水率极值分别位于0.30、0.55和0.70 m深度处,含水率增量分别为3.5%、4.6%和5.5%。