冻土水-热耦合的研究和发展

冻土水 -热耦合的研究和发展
摘要：为研究冻土水热耦合理论、机理以及冻结过程温度场、水分场的变
化过程，根据各国学者对冻土多物理场的研究成果，对冻土水热耦合发展过程进
行简述。

这一总结有利于寒区或季节性冻土区土体冻结过程的理解，为寒区工程
提供理论参考。

关键词：冻土；水热耦合；文献综述；温度场；水分场
一、引言
寒区或季节性冻土区占世界陆地总面积的50%。

由于冻融循环的外荷载作用下，寒冷地区各种基建面临极大的挑战。

因此，季节性冻土区的路基强度、稳定
性和耐久性等工程问题随之而来[1]。

随着冬夏季节交替路基吸热增加，地温升高，冻土逐渐融化，可能会导致铁路路基发生不均匀沉降和变形[2]。

在大量研
究中，学者给出工程灾害与近地面土壤的温度场、湿度场变化密切相关。

二、冻土水分场研究
Everett[3]引入毛细理论（第一冻胀理论），更充分解释了冻胀过程水分迁
移的吸力。

但毛细理论并没有充分解释产生冻胀的主要原因。

随后MILLER[4]提
出在冻结锋面和冰透镜体之间存在冻结缘, 即第二冻胀理论, 得到广大学者认可。

Harlan[5]对比不完全冻结土体和非饱和冻结土体，引入土水势解释迁移驱动力，提出并完善完全冻结土体水分迁移和热量的耦合方程，Harlan模型也被后人称作
流体动力学模型，随着水热耦合理论的发展。

Loch[6]建议用Clausius-Clapeyron方程来描述冰水相变压力关系，并推导
了在多孔介质中冰和水之间的平衡方程。

并且正冻土水热耦合是一个动态过程，Clausius-Clapeyron方程在非稳态冰透镜体冷端不成立，这与实际情况不太一致。

三、冻土水热耦合研究
Wang等人[7]根据质量守恒和能量守恒定律提出了水-热耦合数学模型，该模
型不但研究了冻胀过程土中水分迁移和热量变化规律，而且考虑了冻胀过程孔隙
度降低对渗流的作用。

试验较好的证实了该模型的适用性。

Wang等人[8]提出了
冻土水-热耦合的随机模型，针对寒区路堤水热的效应的随机性，该模型创造性
将点方差预测局部平均方差，并考虑冰水相变、热传导和水迁移随机耦合场。

水
分转移增加了冻土热传导的不确定性，温度变化规律和液态水含量的平均标准差
与时间正相关。

Zhang等人[9]提出浅层黄土湿热耦合模型，模型与实验结果一致，该模型水
分和温度动态变化验证了参数选择的可行性和预测浅层冻土水-热动力学行为的
准确性。

但热流模型没有考虑土体降温过程冰透镜体形成引起的应力变化。

结束语
冻土水热耦合是一个动态作用过程，针对冰水相变计算和土水势的研究，大
多学者基于Clausius-Clapeyron方程进行求取，Clausius-Clapeyron方程（适
用于冰透镜体热端的稳态情况）在非稳态冰透镜体冷端不成立，这与实际情况不
太一致，故有必要对稳态与非稳态都适合的方程进行深入研究。

土壤冻结问题是一个极其复杂动态的过程,在冻融过程参数会随温度、体积
液态水含量和孔隙率发生变化，冻结锋面这种现象尤为明显。

故大量开展冻土物
理参数动态研究是冻土水热耦合模型符合实际试验的关键。

建议使用comsol软
件模拟的冻土物理参数对冻结过程水热耦合的影响，可以根据实际冻土工程试验，设置随时间改变的变量的跃阶函数，通过缩小时间间隔来尽可能逼近实际冻融过程。

参考文献
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4.
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