岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (9): 2719-2727.doi: 10.16285/j.rsm.2023.1692

• 基础理论与实验研究 • 上一篇    下一篇

基于土−水特征曲线的非饱和冻土未冻水含量预测

周凤玺,赵文沧   

  1. 兰州理工大学 土木工程学院,甘肃 兰州 730050
  • 收稿日期:2023-11-08 接受日期:2023-12-26 出版日期:2024-09-06 发布日期:2024-09-03
  • 作者简介:周凤玺,男,1979年生,博士,教授,主要从事岩土工程方面的研究。E-mail: geolut@163.com
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(No.12362032);甘肃省重点研发计划(No.23YFFA0063)。

Estimating unfrozen water content in unsaturated frozen soils based on soil water characteristic curve

ZHOU Feng-xi, ZHAO Wen-cang   

  1. School of Civil Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou, Gansu 730050, China
  • Received:2023-11-08 Accepted:2023-12-26 Online:2024-09-06 Published:2024-09-03
  • Supported by:
    This work was supported by the National Science Foundation of China (12362032) and the Key Research and Development Plan of Gansu Province, China (23YFFA0063).

摘要: 对非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水含量进行了理论分析,给出了一种简便的预测方法及其数学模型。基于非饱和土孔隙中气液两相的化学平衡和力学平衡关系,结合土−水特征曲线,给出了以Van Genuchten土−水特征曲线模型参数表示的土体孔隙体积分布密度函数,且水分冻结与土体孔径分布密切相关。根据初始有效饱和度对应的液态水填充的最大孔径和一定冻结温度对应的起始结晶孔径之间的关系,分析了土体孔隙中冰水相变的特征及其临界有效饱和度。当初始有效饱和度超过临界结晶饱和度后,冻结现象才会发生。给出了非饱和土体在冻结温度以下土中未冻水饱和度的预测公式,并通过已有的试验结果对其有效性进行了验证。

关键词: 未冻水含量, 冻土, 土-水特征曲线, 预测模型

Abstract: Theoretical analysis of unfrozen water content in unsaturated soil below freezing temperature is conducted, presenting a simple prediction method and its mathematical model. By considering the chemical and mechanical balance of gas-liquid phases in unsaturated soil pores, along with the soil-water characteristic curve, the soil pore volume distribution density function is derived using parameters from the Van Genuchten soil-water characteristic curve model. The relationship between the maximum pore size filled with liquid water at initial effective saturation and initial crystal pore size at a specific freezing temperature is examined to analyze ice-water phase transition characteristics in soil pores and critical effective saturation. Freezing occurs only if initial effective saturation surpasses critical crystallization saturation. A formula for predicting unfrozen water saturation in unsaturated soil below freezing temperature is provided and validated against existing experimental data.

Key words: unfrozen water content, frozen soils, soil-water characteristic curve, prediction model

中图分类号: TU445
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