冻土导热系数的聚合模型研究及试验验证

来源：中国血液净化杂志2018年第8期北京时间：

作者：李顺群, 陈之祥, 夏锦红, 桂超

单位：1. 天津城建大学 土木工程学院, 天津 300384;2. 天津城建大学 天津市软土特性与工程环境重点实验室, 天津 300384;3. 新乡学院 土木工程与建筑学院, 河南 新乡 453003

摘要：为揭示土体冻结过程中导热系数的变化规律，建立基于均质球形颗粒的聚合几何模型。该模型由若干半径相等的球形土颗粒在正交方向上堆积而成，且土颗粒之外的区域全部被液态水填充。依据孔隙水首先在远离土颗粒的区域开始冻结的客观规律，建立冻结核在球形颗粒之间的几何中心产生并呈同心球向外扩展的聚合模型。基于土颗粒、水、冰的三相组成，从饱和冻土的组成和球形颗粒之间的接触等微观角度出发，建立导热系数的混合流计算方法。依据建立的几何模型和未冻水含量测试结果，结合给出的导热系数混合流计算方法，能够确定冻土在不同负温阶段的导热系数。另外，给出修正的正交热传导几何模型以计算不同干密度冻土的导热系数，并将混合流计算方法得出的预测值分别与Johansen法、Wiener法的预测值和探针法的实测值进行比较。研究结果表明：提出的混合流计算方法能够高精度地预测高温冻结阶段砂土的导热系数；聚合几何模型解答了干密度较大的土体冻实后的导热系数不一定较大的现象，具象地揭示出冻土导热系数随不同负温变化的原因是土中冰体含量的动态变化；依据冻结核产生位置建立的混合流导热系数计算方法，赋予了Wiener法在冻土导热系数预测中的具体物理意义；聚合模型和混合流导热系数计算方法能够对冻土在不同负温阶段的导热系数进行可靠预测，该研究期望为寒区和冻结法中的水-热-力耦合问题研究提供保证。

关键词：道路工程,导热系数,聚合模型,冻土,未冻水

基金资助：国家自然科学基金项目（41472253）；天津市自然科学基金重点项目（16JCZDJC39000）；天津市建设系统科学技术项目发展计划项目（2016-25）；天津市自然科学基金项目（15JCQNJC43700）；天津市建设工程技术研究所财政资金项目（JGY18-01）