点击名片 关注我们
标题
Title
期刊: Cold Regions Science and Technology
作者：Qimin Chen a b , Yong Liu a b , Yang Wang c , Libin Su d , Yonggang Cheng a b
年份：2024
重点
• 提出了冻融过程中冻土的热-水-力耦合模型。
• 分析了冻融过程中边坡的水热传输和变形。
• 研究了地下水位对水热分布的影响。
• 总结了土坡冻融破坏的机理。
1
摘要
冻融循环对季节性冻土地区的边坡稳定性有显著影响，对基础设施的功能和安全构成严重威胁。本研究建立了一个考虑水分迁移、水冰相变、地下水补给、冻胀和融沉变形的冻土热-水-力耦合（THM）模型。基于土柱试验结果验证了该模型的准确性和可靠性。研究了冻融过程中土质边坡的温度、含水量和位移变化。结果表明，随着气温的变化，水热传递和变形主要发生在边坡浅层土壤中。边坡肩部和坡面的温度波动比坡脚和坡顶的温度波动更为明显。由于温度梯度，水分从非冻结区向冻结锋面迁移，导致冻结区含水量增加。边坡肩部温度波动最大，导致水分迁移增加和变形增大。地下水位上升增加了坡脚和坡底的总含水量，加剧了冻胀和融沉变形，并给出了合理的地下水位控制区间。本研究阐明了季节性冻土边坡的热-水-力耦合过程和变形机制，并总结了破坏模式，为寒冷地区土质边坡的稳定性评估和灾害防治提供了参考。
2
图表
图 1. 热-水-力耦合框架示意图。
图 3. 计算结果与测量结果对比：(a)不同高度处的温度变化；(b)90 小时时体积总含水量的分布；(c)冻胀位移。图 3. 计算结果与测量结果对比：(a)不同高度处的温度变化；(b)90 小时时体积总含水量的分布；(c)冻胀位移
图 4. 温度和融化锋面随时间的变化：(a) 含水量 w = 19%时的温度；(b) 含水量 w = 50%时的温度；(c) 含水量 w = 19%时的融化锋面深度；(d) 含水量 w = 50%时的融化锋面深度。
图 7. 边坡数值模拟。
图 8. 边坡温度分布：（a）在第 102 天；（b）在第 173 天（单位：℃）。
图 13. 173 天时边坡位移分布：（a）水平位移；（b）垂直位移（单位：毫米）。
图 17. 冻融循环引起的边坡破坏示意图：（a）冬季边坡冻结；（b）春季边坡融化；（c）浅层滑坡；（d）深层滑坡。
3
结论
这项研究开发了一个冻土耦合热-水-力（THM）模型，以研究寒冷地区土坡的冻融破坏。研究了冻融期间土壤温度、含水量、冻结深度和边坡位移的变化，并分析了季节性冻土地区土坡的破坏模式。主要结论总结如下：1. 开发了一个考虑水分迁移、水-冰相变、地下水位、不均匀冻胀和融沉变形的冻土耦合模型。通过单向冻结试验和融沉固结试验验证了该模型在模拟季节性冻土的水热传递和变形方面是有效的。2. 土壤温度变化表现出滞后性，且随着深度的增加而更加明显。边坡肩部和坡面的温度波动比坡脚和坡顶的温度波动更为明显。边坡肩部较大的温度变化导致更多的未冻水迁移。边坡肩部的冻结深度最大，坡脚的冻结深度最小。3. 边坡肩部和坡面的冻胀和融沉位移显著。这些区域容易受到冻融破坏，反复循环会导致土壤开裂、剥落、强度降低以及形成优先破坏面，有可能引发浅层滑坡。4. 地下水位对坡脚和坡底的水热分布有很大影响。将地下水位控制在至少离地表最大冻结深度的两倍以下，对于减轻总含水量的增加以及相关的冻胀和融沉变形至关重要，这可以提高边坡的稳定性。
4
参考文献
扫码关注，欢迎来稿
邮箱丨engeomodel@gmail.com
免责声明
本公众号推广所有论文，仅供学术交流，由于小编水平有限，摘要、图表均为原文内容，文字翻译部分仅代表小编个人理解，本公众号不具该原文的版权。在文献解读或作者简历介绍过程中如有疏漏，我们深表歉意，如涉及侵权问题或冒犯之处，请作者团队及时联系本公众号（邮箱），我们会在第一时间进行修改或删除，感谢您的谅解！
