寒區(qū)凍脹、融沉等凍害的核心問題是水熱耦合遷移過程,而凍土滲透系數(shù)的確定是研究這類問題的關(guān)鍵。不同于正溫條件下土的滲透系數(shù),凍土的滲透系數(shù)涉及液態(tài)水在土、冰兩種固相物質(zhì)內(nèi)的流動機(jī)制。如何更精確、簡潔地表達(dá)凍土的滲透系數(shù),一直沒有得到很好的解決。本文基于土中冰的賦存形態(tài),結(jié)合正溫滲透系數(shù)Kozeny-Carman方程推導(dǎo)過程,考慮冰顆粒的阻礙作用,提出一個新的凍土滲透系數(shù)模型。本文模型通過和文獻(xiàn)中其他學(xué)者的模型以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,可以較好地吻合試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了本文模型的合理性。相較于既有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突驈?fù)雜的數(shù)學(xué)模型,本模型只有一個擬合參數(shù),形式簡潔,有明確物理依據(jù),具有一定的應(yīng)用價值。 

【文章來源】：巖土工程學(xué)報(bào). 2020,42(11)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：7 頁

【部分圖文】：

不同模型計(jì)算曲線的對比

本文模型提出的凍土飽和滲透系數(shù)模型中，參數(shù)涉及土，水，冰三相。其中，對滲透系數(shù)的預(yù)測有較大影響的參數(shù)為未凍水飽和度Su和形狀系數(shù)比ε。其中，未凍水飽和度Su決定了模型的形狀和變化趨勢。未凍水飽和度是土中未凍結(jié)水含量的反映。土中未凍水含量決定了土中可流動水的含量，未凍水含量越少，土中可流動水減少，連通性越差，導(dǎo)致滲透系數(shù)越低。如圖3所示，不同土壤的SFCC對應(yīng)的負(fù)溫下滲透系數(shù)模型的形狀和變化趨勢是一致的。因此，SFCC是本文模型區(qū)分不同土壤對應(yīng)的滲透系數(shù)的重要依據(jù)。土性不同，對應(yīng)的SFCC不同，最終導(dǎo)致滲透系數(shù)的差異。需要指出的是，在使用本文模型進(jìn)行求解時，不需要依賴于某一特定SFCC曲線表達(dá)式，也能進(jìn)行計(jì)算。Lebeau和Konrad的模型中，設(shè)定了特定的SFCC曲線表達(dá)式，通過擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定擬合參數(shù)的取值，再根據(jù)這些參數(shù)求解凍土滲透系數(shù)。不同于他們的思路，本文僅把未凍水含量作為一個自變量參數(shù)進(jìn)行使用，克服了對SFCC的依賴。為了驗(yàn)證這一模型特性，將SFCC更換為Liu等[14]提出的模型：

用此模型擬合試驗(yàn)數(shù)據(jù)中的Manchester silt fraction土，a取10162,n取3.2,m取0.35。兩種模型求得的SFCC曲線和對應(yīng)預(yù)測的凍土滲透系數(shù)如如圖4所示�？梢钥闯觯裟骋籗FCC模型能夠較好地?cái)M合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，則通過該SFCC模型就可以很好地預(yù)測凍土滲透系數(shù)。這一結(jié)論驗(yàn)證了本文提出的模型并不依賴特定的SFCC模型，即未凍水含量Su只是模型中的一個自變量參數(shù)。不同于參數(shù)Su，形狀系數(shù)比ε雖然對模型形狀和變化趨勢的影響較小，但它卻能直接影響滲透系數(shù)的取值范圍。如圖5所示，變化相同的溫度，隨著ε的增大，模型求解得到的滲透系數(shù)逐漸減小。不同形狀的立體的表面積表達(dá)式是相似的，例如球體的表面積是4πR2,R是半徑，而正立方體的表面積是6a2,a為邊長。對一個立體來說，表面積的求解可以看作是其特征長度的平方乘以對應(yīng)的表面積系數(shù)。而形狀系數(shù)比ε是和土性有關(guān)的一個參數(shù)，反映的是冰顆粒形狀和土顆粒形狀的差異。形狀系數(shù)比ε越接近1，說明冰顆粒和土顆粒的形狀越接近，如圖2中的Manchester silt fraction,Chena silt兩種土。當(dāng)土顆粒和冰顆粒形狀差距越大，形狀系數(shù)比ε取值則會越遠(yuǎn)離1，如圖2中的Calgary silt。通常來說，冰顆粒和土顆粒的形狀差異不應(yīng)過大，不同表面積系數(shù)的差距一般不會超過1個數(shù)量級，因此，對于形狀系數(shù)比ε，建議的取值范圍是0.1～10。確定ε的取值范圍同時可以保證模型的合理性，減少人為取值的隨意性。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]凍結(jié)作用下黏土中水、鹽遷移試驗(yàn)研究[J]. 芮大虎,郭成,蘆明,孟慶浩,伊藤譲.  冰川凍土. 2019(01)



本文編號：3440741