【摘 要】
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每年冬春季节,中国北方地区的土体表层都会经历冻融作用,如果工程保护措施不当,会对其上覆的基础设施造成损害。其中,冻胀现象涉及复杂的水热耦合机理及相变作用,冻土中的温度分布和水分条件,对岩土工程、水文、农业等方面具有重要意义。在分析非饱和冻土耦合机理时,通常忽略水分迁移和蒸汽流动作用。然而,最近在中国的西北等寒冷和干旱地区的结构产生冻胀破坏,在该地区地下水位约为20m深,经典的冻胀理论无法解释这种冻
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每年冬春季节,中国北方地区的土体表层都会经历冻融作用,如果工程保护措施不当,会对其上覆的基础设施造成损害。其中,冻胀现象涉及复杂的水热耦合机理及相变作用,冻土中的温度分布和水分条件,对岩土工程、水文、农业等方面具有重要意义。在分析非饱和冻土耦合机理时,通常忽略水分迁移和蒸汽流动作用。然而,最近在中国的西北等寒冷和干旱地区的结构产生冻胀破坏,在该地区地下水位约为20m深,经典的冻胀理论无法解释这种冻胀破坏。此外,最近的试验数据也证明了冻土中的蒸汽可能会导致大量的冰晶形成。因此,本研究提出了一个非饱和冻土水汽热多场耦合数学模型,并考虑了冻土中蒸汽的蒸发和凝结的相变作用。非饱和冻土中水汽热耦合模型的求解是采用COMSOL Multiphysics中的数学PDE模块,传热边界考虑了具有特定温度的Dirichlet边界条件。然后,采用已有试验数据对模型的有效性进行验证,参考试验为60cm的单向冻结土柱,试验中土柱的初始条件和边界温度是变化的。计算结果表明:提出的模型能够有效的预测非饱和土的冻结过程;水汽的迁移依赖于土体内温度梯度和初始含水量;总体积含水量在冻结锋面处达到最大;当暖端温度固定时,冷端温度越低,冻结锋面越深;由试验数据和模拟结果的对比可知,模拟数据与试验结果吻合较好,证明了模型的有效性。
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