百人学者推导冰透镜体界面水力阻抗的冻胀理论模型

　　细粒土在冻结过程，未冻土中的水分在“冻吸力”作用下向冻土中迁移并冻结，导致冻土体积膨胀即冻胀。冻胀可能会影响季节性冻土区的道路、管道等工程的变形，也可能使得采用人工冻结法施工的隧道、矿井的冻结壁发生变形。目前关于冻胀的理论模型多有物理含义不清、参数难以测量等问题，对于提高冻胀机理的认识和促进工程应用仍有较大局限。

冻胀发生过程中的水分迁移

　　中科院武汉岩土力学研究所韦昌富研究员科研团队在不同压力、边界温度、初始土样高度条件下，对饱和粉土进行了冻胀试验，研究了温度梯度、冻结速率、土样高度和压力对冻胀的影响。当土中温度变化很缓慢时温度场可视为准稳态，冻胀速率与温度梯度成正比例增长关系，其比例系数随着压力增大而线性减小；冻土中温度变化较快时，冻胀速率还与冻结速率有关。将总冻胀速率分解为准稳态冻胀速率与瞬态冻胀速率。准稳态冻胀速率与压力和温度梯度有关，瞬态冻胀速率与压力和冻结速率有关；冻结速率与土样尺寸有关，将冻结速率与土样高度的比值定义为比冻结速率。当压力一定时，瞬态冻胀速率与比冻结速率呈幂函数增长关系，增长率随着比冻结速率增大而变小；当比冻结速率一定时，瞬态冻胀速率随着压力增大而呈双曲线形式衰减。通过数值方法求解温度场，可得比冻结速率和温度梯度，再结合压力条件即可计算任意时刻的冻胀速率，从起始冻胀时间开始将冻胀速率对时间积分可以计算出冻胀量。

　　根据预融动力学理论，推导了考虑冰透镜体界面水力阻抗的冻胀理论模型。传统冻胀理论模型通常在预测冻胀速率时偏大，这是因为在计算时未考虑冰透镜体界面处水分从孔隙处流到未冻水膜内受到水力阻碍。膜内的水压力梯度，驱使着膜内水分的运动，冻胀发生时孔隙处水分流进冰透镜体表面未冻水膜内部，膜内的水分运动则意味着有水压力降低，这部分水流产生的水力阻抗即冰透镜体界面水力阻抗。界面阻抗产生的物理前提是冰透镜体具有一定抗剪强度，保证界面处冰透镜体在表面压力不均匀产生剪应力的情况下还能保持稳定。然而在传统冻胀模型中，大部分情况下忽略了冰的抗剪强度，将冰视作一种黏度很大的流体，冰可以被视作流体两个因素：1、冰的强度-平均主应力曲线是抛物线，在平均主应力较大时冻土抗剪强度降低；2、冻土的流变性使得长期强度远低于瞬时强度。但是在一般的冻胀过程中，上部荷载并不十分大，冻胀发生的特征时间较短，因此须将冰当做能承受剪切力的固体并由此推导出冰透镜体界面阻抗。

　　上述工作得到国家自然科学基金重点（51239010）及面上等项目（41572293，11372078）的资助。