侧向冻结过程中水分水平迁移机理及支挡结构冻胀力演化规律研究

Soil water potential existing in freezing soil can induce the water migration from unfrozen section to the freezing front. The phase change of in-situ water and migrated water in frost fringe cause the increase of soil volume. The horizontal frost heaving force acting on retaining wall will be several times greater than that when the soil behind wall stay unfrozen. The research will adopt the method of theoretical analysis, model experiment in laboratory and field test, taking soil properties, state, temperature gradient, earth pressure, underground water and type of retaining structure into consideration. The purpose of research will disclose the frost fringe feature and segregated ice development in freezing soil whose frost penetration direction is lateral. Then the forecasting model of horizontal frost heaving and the evolution law of horizontal frost heaving force can be put forward. The forecasting model of horizontal frost heaving can be implemented by user-defined partial differential equations in multi-field coupling software COMSOL Multiphysics. The analysis of the coupling of water field, temperature profile and stress distribution of the interaction between the wall and soil can be achieved when the soil behind wall freezes from the back. Through the above analysis, the impact degree of different factors on the water migration and frost heaving in laterally freezing process, and the computing theory of earth pressure applied on the retaining wall will be improved in laterally freezing soil. The research findings will theoretically support the design and construction of retaining wall in cold region.

土体在冻结过程中存在土水势，导致水分向冻结锋面迁移积聚，水分相变引起土体膨胀变形；当支挡结构约束土体变形时，将在墙背出现较常规数倍的水平冻胀力。课题组拟通过理论分析、室内模型和实体试验，在考虑土性、土体状态、温度梯度、压力、补水、支挡类型等影响因素基础上，揭示水平冻结过程中冻结缘发展特性及分凝冰的生长规律；提出侧向冻结过程中在上述不同条件下的水分水平迁移规律，并此基础上构造侧向冻结的水平冻胀预报模型及揭示水平冻胀力的演化规律；结合多场耦合软件Comsol，定义上述水平冻胀模型的偏微分方程，实现横向冻结过程中支挡结构与墙后土体的水-热-力三场耦合分析；整理分析成果基础上，提出土性、土体状态、温度梯度、补水、支挡类型等因素对侧向冻结过程中水分迁移、冻胀的贡献程度，进而完善冻土区支护结构土压力计算理论。研究成果将为今后寒区工程的支挡结构设计、维护和施工提供理论支持。

冻害严重威胁着高寒地区构筑物的安全服役，尤其当构筑物设置在对冻胀极为敏感的粉土地层上时，更容易出现较大的水平冻胀变形，从而造成构筑物严重破坏。本研究采用理论研究、室内试验、数值计算和现场试验等手段，开展了水平冻结的水分迁移机制、冻胀演化机理、特征参数预测方法和水平冻结理论工程适用性等内容的研究，明确了水分驱动力的计算方法、演化规律及分量间的相互作用，刻画了分凝冰发育过程、冷生构造形态、冻胀发展特征及冻胀力演化规律，提出了非饱和粉土的水平冻结机理并进行了现场验证。论文主要研究成果如下：.（1）基质势和重力势差是水分迁移的主要驱动力，而基质吸力和重力两矢量间非零夹角的动态变化是造成水平冻结有别于竖向冻结的主要原因；提出了基质吸力计算方法，并揭示了水平冻结的水分迁移驱动力机制。.（2）研发了水平冻结试验装置并开展了水分迁移试验，分析了水平冻结过程中基质吸力和水分含量在粉土冻结区、冻结缘和未冻区的变化特征，研究了不同因素对粉土基质吸力和水分迁移的影响规律，并提出了水平冻结过程中非饱和粉土的水分迁移机理。.（3）提出了适用于水平冻结的分凝冰形成判别准则，研究了水平冻结时非饱和粉土冷生构造带的形态特征及影响因素，分析了分凝冰发育与土体冻胀间的内在联系，并提出了水平冻结过程中非饱和粉土的分凝冰发育机制。.（4）开展了冰分凝试验，分析了水平冻结过程中非饱和粉土的冻胀发展特征和冻胀力演化规律，明确了不同因素对非饱和粉土水平冻胀特征的影响规律，并提出了水平冻结过程中非饱和粉土的冻胀演化机理。.（5）验证了现有冻胀预测方法应用于水平冻结的合理性，改进了未冻水含量和冰含量的经验预测公式，优化了水平冻胀预测模型，提出了基坑侧壁最大水平冻胀力预测公式。.（6）利用提出的水分迁移机理和冻胀演化机理，合理解释并预测了基坑水分迁移特征、冻胀发展特征和冻胀力演化规律，从而从工程实际中验证了水平冻结理论的适用性。