冻土地区土壤水热耦合温度场的分析.pdf

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1、刘跷燕等：冻土地区土壤水热耦合温度场的分析87冻土地区土壤水热耦口In日n度场的分析刘晓燕，郭琳(东北石油大学土木建筑工程学院，黑龙江大庆16,3318)【摘要】分析了冻土地区土壤水热迁移的影响因素，探讨了冻土水热迁移的研究方法及成果。建立了考虑相变潜热及土壤冻结后含冰量的土壤水热耦合温度场模型，并进行了数值求解，得到了冻土区不同深度土壤的水热耦合温差场，总结温度变化趋势的规律。【关键词】冻土；水热耦合；影响因素；数值模型【中图分类号】TU475【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2010

2、)11-0087—02随着我国经济建设的蓬勃发展以及西部大开发进程的顺等模拟风速、辐射、蒸发等实际边界及工程外表特征得加快，许多民用工业建筑工程，交通运输工程，地下管道工到确定冻土工程温度场的数值模型；刘晓燕、刘立君等测程，农田水利工程得到了广泛的发展，而这些工程的开展势试了严寒地区土壤冻结及非冻结状态的物性参数，分析了必要遇到冻土地区的特殊情况和处理方法。为了保证工程土壤冻结及非冻结物性参数对不同深度处土壤温度场的影的安全，必须对冻土工程进行深入的研究。土体中的温度响程度。变化会引起水分迁移使含水量

3、变化，含水量的变化又会引对水分迁移的研究主要集中在迁移动力与迁移模型起土的导温系数、比热容发生变化，从而影响传热过程及温上⋯。在迁移动力上国外的学者提出过多种假说：2O世纪度分布，温度引起土体冻融相变还会使水分向冻融界面运3O年代Taber和Beskow等人进行了一系列有关冻胀的试验移，水分运移过程中会携带热量使温度分布发生变化。因研究，提出了细颗粒土中的薄膜水迁移理论；到6o年代由此，研究土体水热问题时，必须考虑其相互影响。Everett研究出在土粒子间隙中求吸水动力即抽吸力的理1土壤水热迁移的影响

4、因素分析论，Bouycous等人提出的结晶力理论实际上是对薄膜水迁移影响水分迁移的主要因素有未冻水含量、外界水源的理论的一种补充；Beskow又将其发展为吸附一薄膜理论；补给、土质特性、温度场等。无论在天然条件下还是在人工Hoekstra等人的试验支持了这种理论，并且这种假说得到了冻结作用下，土冻结过程中的相变温度场是造成土水分迁大多数学者的认可。移的极重要因素。相变温度场的负温度梯度绝对值越大，3冻土水热耦合温度场模型的建立冻结速率越大，而冻结速度直接影响着含水量的变化。同3．1物理模型样，水分迁移

5、对冻土中温度场的分布也存在着一定的影响，其中冰水的相变潜热起主要作用。在土体冻结或融化过程地表中，频繁的进行着孔隙水的冻结或融化，在这一过程中，冰水的相变潜热以内热源的形式影响冻土中的温度场分布。同时，伴随着水分向冻结锋面的流动，水流的对流传热也对：+：·：·：，：+：+：·冻土中的温度场存在着一定的影响，但是与冰水相变潜热恒温层相比，对流传热影响较小，一般忽略不计。由以上的论述可见，土体冻结或融化过程中，温度、水分之间并不是相互独X立的变量，而是存在相互影响、相互制约的耦合关系。图1冻土水热耦合温度

6、场物理模型2土壤水热迁移研究方法及成果冻土中的热质迁移主要由热传导方式及水分迁移与水土壤温度场可以简化为第三类边界条件下半无限大物分相变吸、放热引起。热质迁移与水分迁移具有十分明显体周期性非稳态导热问题，土壤深度为8，建立非稳态导热的耦合机理。Kay_2等人将由水分迁移导致的热质迁移统物理模型如图1所示。一归纳到等效热传导项中，并且发现对于易冻土在零温度3．2数学模型附近由于相变潜热引起的热迁移远远大于由于热传导引起3．2．1控制方程的热质迁移；Taylor，Luthin通过实验分析表明，土体中水分此

7、问题的控制方程参照文献中提出的冻土水热耦合在迁移过程中携带热量引起的热迁移只是由热传导引起的迁移方程，为：热迁移的1／100～1／1000；Cary提出了一个描述水分、溶质CoOt=立和热质相耦合的间接热传导模型，但没有考虑冰结锋面上Ox(A。)一尝(1)溶质的溢出与渗透热引起的水分流动影响；王铁行、胡长式中，c为冻土等效比热容，J／(m’·K)；A为冻土等88低温建筑技术2010年第11期(总第149期)效导热系数，W／(nl·K)；为冻土等效对流速度，w／(in·3O35K)；f为土壤温度，℃。2

8、0l5未冻水含量与负温始终保持动态平衡的关系，采用表l0达式，即：5糕O赙0=aT(2)一5一lO式中，0为未冻水含量，％；T为负温之绝对值，℃；口和b—l5—20昌高昌高高高昌高高高昌为与土质因素有关的经验常数。ak土⋯对于未冻结区的土壤水扩散率D()及导水率日期K(0)⋯采用下式：图2不同深度的土壤水热耦合温度曲线D(0)=226．4(0．／0。)。(3)土体冻结过程中，温度、水分之间的相互作用是一个极K(0)=0．9(Oo／0。)(4)其复杂的热力