水热力耦合作用下泥炭土冻结过程中的冰透镜体生长机理研究

There is a wide range of peaty soil with stable thickness in Kunming，whose organic matter content is high, porosity is large and the water content is extremely rich. In the artificial freezing process, the peaty soil has significant frost heaving behaviors. Therefore, this project is to study heat transfer, moisture migration and frost heaving characteristics in the condition of different temperature gradients, initial water content and loads with the self-made frost heave test device and the mathematical model will be established coupling moisture, heat and stress field. Moreover, the CT scanning test will be done for the soil sample in the process of frost heave test. Based on the digital image processing technology, the dynamic micro structure characteristics of soil particles, water, and ice will be extracted from the CT slice images. The soil frost heave model will be set up according to the ice lens’ formation and growth process. Considering the influence of soil particles skeleton and pore space structure information, the algorithm coupling lattice Boltzmann method and finite element method is developed to simulate water crystallization, moisture migration, ice lens formation and growth. This project will reveal the frost heaving characteristics of peaty soil based on ice lens growth, and provide scientific basis for the design and construction of artificial freezing method in peaty soil.

昆明地区分布着广泛且厚度稳定的泥炭土，具有有机质含量高、孔隙率大、含水量丰富等特点，在人工冻结作用下其冻胀特性非常显著。为此，本项目通过自制冻胀试验装置研究泥炭土在不同温度梯度、不同初始含水量及外荷载作用下，土体中温度场演化、水分迁移、土体冻胀特性的变化规律，构建人工冻结泥炭土水分场、温度场、应力场三场耦合作用的数学模型。同时对冻胀试验过程的土样进行CT扫描试验，采用数字图像处理技术从CT切片图像中提取出固体土颗粒、未冻水及分凝冰的细观结构动态变化特征，建立描述冰透镜体形成及生长过程的土体冻胀模型。考虑土颗粒骨架与孔隙空间结构信息的影响，开发格子Boltzmann-有限元耦合算法，模拟水热力耦合作用下泥炭土冻结过程中液态水结晶、水分迁移、冰透镜体形成及生长过程。本研究将基于冰透镜体的生长机制揭示泥炭土的冻胀特性，并为泥炭土层人工冻结法的设计及施工提供关键科学依据。

昆明地区分布着广泛且厚度稳定的泥炭土，该土层具有有机质含量高、孔隙率大、含水量丰富等特点，在人工冻结作用下其水热力耦合作用机制非常复杂。为此，本项目针对泥炭土进行了封闭条件下大体积土样的单向冻结室内冻胀试验，研究了不同温度梯度、初始含水量等情况下，泥炭土的温度场、水分场及冻胀变形的实时演化规律。然后，基于温度场演化方程解耦、改进冰组分生成、冻结锋面位置精细化处理等方法，对Harlan模型进行改进，提出了一种土体冻结过程中水热耦合作用机制的理论计算模型，并采用隐式有限差分方法对该模型进行数值求解。在此基础上，研究了冻结时间、初始含水量、冷源温度以及冰阻抗等因素对土体水热耦合演化规律的影响。同时，考虑土体各相物质的随机分布及统计特征，采用四参数随机生长法构建了土体的微观结构，基于格子Boltzmann方法采用双分布函数分别模拟了固体土颗粒和水分的温度场演化，考虑土颗粒与水分间的耦合传热机制、水分冻结释放相变潜热及水转化成冰导热特性的瞬时变化等演化过程，建立了模拟孔隙尺度饱和土体冻结过程的数值模型，并研究了不同孔隙率的饱和土体在冻结过程中的温度场演化规律。此外，根据固体土颗粒、水（冰）及空气各相界面间的热量传输，建立了求解非饱和土体有效导热系数的数值模型，并分析了冻融状态、饱和度、孔隙率、土颗粒大小及形状等因素对土体有效导热系数的影响。采用焓法处理土体冻结所释放的相变潜热，在整个计算区域（液相区、固相区及固液相变界面）建立了统一的传热控制方程。通过变热扩散系数来表征土体冻结引起热物理参数的改变，建立了人工冻结作用下模拟土体冻结帷幕发展过程的热格子Boltzmann模型，并研究了四根冻结管以正方形排列时冻结帷幕的演化机制及温度场的变化规律。本研究能够揭示泥炭土在冻结过工程中的水热力耦合作用机制，并为该土层人工冻结法的设计及施工提供关键科学依据，不仅具有学术研究价值，还有重要的工程应用前景。