基于未冻水膜压力判据的冻土水热力耦合冻胀模型研究

冻胀融沉是多年冻土区的主要病害，其受水分场、温度场、应力场的复杂耦合作用影响。基于水膜理论提出了冻土未冻水膜压力作为冰透镜体生成的判据，并重新对水分迁移驱动作用进行描述，建立了以温度、土体孔隙比为变量的全耦合模型。通过考虑已冻区冰基质的影响，推导了涵盖原位冻胀与冰分凝两部分的冻胀量计算公式。基于Matlab和COMSOL Multiphysics的联立平台，提出了模型冰透镜体实时分布的数值求解方法，实现了冻土温度、水分、应力、冰透镜体分布的全耦合数值求解。通过与室内土柱冻结试验及现有水热力模型（Thermal-Hydraulic-Mechanical，又称THM模型）冻胀量结果进行对比分析，证明了温度、含水率与冻胀计算上的可靠稳定。最后通过探讨温度梯度、上覆压力、渗透系数与压缩模量对土柱冻结的影响发现，温度梯度能显著增加土体冻胀量，上覆压力会导致更多水分向冻结锋面迁移，但对冻胀量起着抑制作用，渗透系数与压缩模量均对冻胀量产生正影响。为冻胀理论研究与数值实现提供了新思路。