土壤冻融过程未冻水滞后效应实验、模型及机理分析研究

摘要

土壤在现代工程中的地位非常重要，而自然环境中的土壤在低温环境下会经历冻结和融化，引起土体内未冻水和冰含量的变化，进而导致土体的力学与热力学性质发生变化。同时，土壤作为一种特殊的多孔介质材料，实验中发现的规律以及理论成果可以推广至其他种类的多孔介质材料中，具有广泛的应用与研究价值。 首先，进行了未冻水对土体冻结过程影响的解析计算研究。改进了已有的解析解答，证明了解析解中一系列描述等温线移动的参数的存在性及唯一性；同时提出了这些参数的稳健的计算流程。计算结果表明，未冻水存在会对温度场发展及冻结锋面移动有重要影响。 然后，利用基于核磁共振的未冻水测试系统在不同温度区间，对不同含水率的土体进行冻融循环过程的未冻水含量测试，得到了不同条件下的土壤冻结和融化曲线，分析了未冻水的变化规律，研究了温度路径和初始含水率对土壤未冻水滞后效应的影响。发现含水率高的土体在冻融过程中存在更高的滞后度，大温度区间进行的冻融循环过程也拥有更高的滞后度。 随后，建立了冻土中未冻水与非饱和土中液态水的类比理论，结合前人利用土壤干燥曲线预测湿润曲线的模型，建立了五种由土壤冻结曲线预测融化曲线的实用方法。结合文献与本文实验的测试数据，对不同预测模型的结果进行了分析比较，找出了三种预测结果较好的模型，预测准确度较高，可以用于以后未冻水相关问题的研究。 最后，对已有的关于未冻水滞后效应的机理进行了归纳，并提出了各种机理在建立数学模型时的处理方式。建立了由边界冻融特性曲线预测子冻融特性曲线的方法。首先，通过边界冻结特性曲线与实验数据的对比，获得孔隙概率分布密度函数；然后，通过边界融化特性曲线与实验数据的对比，获得冻融差异性因子的分布函数。之后，便可以进行子冻融特性曲线的预测，相关实验验证工作仍在进行。

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