[發明專利]凍結土體模型、凍結土體水分遷移模型的構建方法

有效

• 申請號: 202010556479.2
• 申請日: 2020-06-17
• 公開（公告）號: CN111830235B
• 公開（公告）日: 2022-07-12
• 發明（設計）人: 陳漢青;程樺;姚直書;榮傳新;彭世龍;王曉健;黎明鏡
• 申請（專利權）人: 安徽理工大學;合肥工業大學
• 主分類號: G01N33/24
• 分類號: G01N33/24
• 代理公司: 北京五洲洋和知識產權代理事務所(普通合伙) 11387
• 代理人: 劉春成;徐麗娜

本發明提供了一種凍結土體模型以及一種凍結土體水分遷移模型的構建方法。其中，凍結土體模型包括：依次排列的已凍結區、凍結緣區和未凍結區，已凍結區靠近凍結緣區的一側形成冰透鏡體，已凍結區遠離凍結緣區的一側施加朝向凍結緣區的上覆壓力；凍結緣區內設置有土顆粒基質、多個不同直徑的毛細管，每個毛細管穿過土顆粒基質連通冰透鏡體和未凍結區；第一數量毛細管內形成孔隙冰，土顆粒基質和第一數量的毛細管的內壁表面形成未凍水膜；第二數量的毛細管的內壁形成未凍水膜，且在毛細管內部充滿毛細水。本發明提出的凍結土體模型，將毛細水遷移機制和薄膜水遷移機制相結合，可以全面合理地解釋土體凍脹現象。

技術領域

本發明涉及凍土物理學，基本熱力學和流體動力學領域，特別涉及一種凍結土體模型以及一種凍結土體水分遷移模型的構建方法。

背景技術

對于凍脹機理的研究，目前有兩種凍脹理論為人們廣泛接受。即：Everett(1961)提出的毛細理論，也被稱為第一凍脹理論。認為毛細吸力是冰分凝過程中水分遷移的驅動力，并對凍脹量和凍脹力進行定量的估計。然而，毛細理論不能解釋凍結緣和不連續分凝冰的形成，也低估了細顆粒土的水分遷移速度和凍脹力。鑒于毛細理論的不足，Miller(1978)提出了凍結緣理論，也被稱為第二凍脹理論。認為在凍結鋒面和最暖冰透鏡底面存在一個低含水量、低導濕率和無凍脹的區域，稱為凍結緣，水分在溫度梯度等廣義驅動力作用下，通過顆粒表面的薄膜水向冰透鏡體暖端遷移，導致冰透鏡體的生長。然而凍結緣理論沒有考慮未凍毛細水的影響，難以解釋不均勻凍脹現象，因此均需要進一步改進。

目前，有兩種水分遷移機制為大家廣泛認可，即：毛細水遷移機制和薄膜水遷移機制。然而，國內外學者僅從單一水分遷移機制進行研究，尚未見學者將上述兩種水分遷移機制有機結合，因此缺乏一種全面合理解釋土體凍脹現象的毛細-薄膜水分遷移機制模型。

發明內容

本發明旨在至少解決現有技術或相關技術中存在的技術問題之一。

有鑒于此，本發明的一個目的在于提供一種凍結土體模型。

本發明的另一個目的在于提供一種凍結土體水分遷移模型的構建方法。

為了實現上述目的，本發明的技術方案提供了一種凍結土體模型，包括：依次排列的已凍結區、凍結緣區和未凍結區，已凍結區靠近凍結緣區的一側形成冰透鏡體，已凍結區遠離凍結緣區的一側施加朝向凍結緣區的上覆壓力，冰透鏡體靠近凍結緣區的一側為冰透鏡體暖端，凍結緣區靠近未凍結區的一側形成凍結鋒面；凍結緣區內設置有土顆粒基質、多個不同直徑的毛細管，每個毛細管穿過土顆粒基質連通冰透鏡體和未凍結區；其中，第一數量毛細管內形成孔隙冰，第一數量的毛細管內形成彎曲冰-水界面；土顆粒基質和第一數量的毛細管的內壁表面形成未凍水膜，第二數量毛細管內未結冰，第二數量的毛細管的內壁形成未凍水膜，且在毛細管內部充滿毛細水。

根據本發明提出的凍結土體模型，該模型包括依次排列的已凍結區、凍結緣區和未凍結區，通過已凍結區、凍結緣區和未凍結區模擬自然界凍土的基本結構，通過凍結緣區內設置有土顆粒基質、多個不同直徑的毛細管，每個毛細管穿過土顆粒基質連通冰透鏡體和未凍結區，通過毛細管來模擬自然形成的凍土中的已凍結區、凍結緣區和未凍結區之間的孔隙，且第一數量毛細管內形成孔隙冰，第一數量的毛細管內形成彎曲冰-水界面；土顆粒基質和第一數量的毛細管的內壁表面形成未凍水膜，根據已結冰的第一數量的毛細管的管壁表面形成的未凍水膜來獲取薄膜水遷移的數據，通過未結冰的第二數量的毛細管的內壁形成未凍水膜，且在毛細管內部充滿毛細水，獲取凍結緣區的毛細水的遷移數據，使得本模型既可以提供凍結緣區域的毛細水遷移數據，又提供了毛細管內部的薄膜水遷移數據，從而使得凍結土體模型可以將毛細水遷移機制和薄膜水遷移機制結合起來，以全面合理解釋土體凍脹現象的毛細-薄膜水分遷移機制模型。

進一步地，多個毛細管的孔徑取值范圍為0.1μm～1000μm。

進一步地，多個毛細管按直徑呈正態分布，且多個毛細管隨機分布于凍結緣區域內。