哈尔滨工业大学硕士学位论文
摘要
在寒冷地区，季节性冻土的土体结构会在环境温度的作用下产生形变，出现冻
胀、融沉、翻浆等一系列土壤病害从而对地面设施的稳定性和安全性构成威胁。相
较于下层土体而言，表层土体受冷空气影响温度下降明显，土体内部产生温度梯度。
受温度梯度的作用，水分由底部迁移至冻结锋面位置并分凝成冰，土体此处体积增
大。因此土体内部生成的分凝冰是土体冻胀现象的内在体现，探究不同因素对分凝
冰生长发育的影响，掌握土壤冻结过程中的水热迁移规律，对解决土体冻胀危害具
有重要意义。
本文通过搭建土壤冻胀分凝冰生成可视化实验台，实现了土壤冻结过程中分
凝冰生长发育情况的实时监测。实验探究了冻结温度、土样粒径和上覆载荷三个因
素对土体冻结过程中分凝冰生成的影响。研究表明，冻结温度低、土体颗粒细，上
覆载荷小时，分凝冰生成的时间早，发育时间长，冰层生长厚度大。冻结稳定后土
体内冻结锋面处的温度梯度与冰透镜厚度相关，冰透镜最终生成的位置略高于冻
结锋面。恒温冻结工况下，补水量和冻胀量同一时间变化趋势相同，冰透镜出现于
土体冻结锋面稳定时，冰透镜厚度与补水量和冻胀量成正相关。
基于多相流格子Boltzmann方法，模拟气液两相分离过程生成非均匀多孔土
壤结构。依据目标孔隙率设定临界密度值，并将高于临界密度值的区域定义为孔隙，
其余格点定义为土体骨架，得到一定孔隙率的土壤结构模型。基于多松弛伪势格子
Boltzmann模型和焓的相变模型，将温度梯度对水分的驱动力转换为冻结锋面对水
分的冻吸驱动力，建立土体冻结水热迁移模型，不同时刻土体内温度分布的模拟结
果与实验结果平均误差为1.1%，冻结后土体含水率分布模拟结果与实验结果平均
误差为8.2%，快速冻胀阶段冻胀量模拟结果与实验结果误差为1.46%。
基于孔隙尺度土体冻结水热迁移模型，对土体冻结水热迁移及冻胀现象进行
机理分析并探究了温度梯度、冻结模式、土体孔隙率和土壤类型对冻结过程分凝冰
生长发育的影响。研究表明，分凝冰生成量受土体内温度梯度影响，土体温度梯度
增大，土体内含水率峰值增大，冰透镜厚度增大。当温度梯度增大相同值时，分凝
冰的增长量受冷端温度下降的影响大于受暖端温度上升的影响。此外相比于恒温
冻结模式，冷端线性降温模式下，相同时间内分凝冰生成量减少，冻结稳定后上层
土体含水率增加。模拟工况范围内土体孔隙率和土质类型对土体冻胀分凝冰生成
过程影响较小。
关键词：土壤冻结；分凝冰；实验研究；格子Boltzmann模拟；水热传递
I
哈尔滨工业大学硕士学位论文
Abstract
Incoldregions,thesoilstructureofseasonallyfrozengroundundergoesdeformation
duetotheinfluenceofenvironmentaltemperature,resultinginaseriesofsoildiseases
suchasfrostheave,thawsettlement,andupheaval,whichposeathreattothestability
andsafetyofgroundfacilities.Comparedtotheunderlyingsoil,thesurfacesoilismore
significantlyaffectedbylowtemperature,leadingtotemperaturegradientswithinthesoil.
Asaresultofthetemperaturegradient,moisturemigratesfromthebottomtothefreezing
frontwhereitsolidifiesintoice,causinganincreaseinvolumeatthatlocation.Therefore,
theformati