非饱和土体水平冻结过程中的水热耦合作用机制研究

摘要

土体在冻结过程中伴随热量传递、冰水相变、水分迁移等演化过程,其水热耦合作用机制非常复杂。为此,在进行演化方程组解耦、冻结锋面精细化处理的同时,采用土体冻结特征曲线改进未冻含水量计算,引入总含水量优化冰组分生成,提出一种新的水平冻结水热耦合理论计算模型。基于隐式有限差分方法对该模型进行数值求解,结合试验结果验证其有效性。最后,以张掖壤土为研究对象,分析非饱和土体的水热耦合演化规律。研究表明,土体在冻结过程中,未冻区的水分会向冻结区迁移,在锋面位置处发生水分积聚;在孔隙率相同的情况下,土体的初始含水量越高,其温度下降速度越快,冻结区含水量的增加也更为显著。土体的冷源温度越高,冻结锋面的发展速度越慢,从而使得水分迁移时间更为充分,对应的冻结区平均含水量越高,水分积聚现象也越突出。冰阻抗在冻结锋面附近影响土体中的水分迁移,使其含水量及热扩散系数下降,从而影响温度场的演化。