突发定渗流下冻土温度场演化进程与判别策略

在人工冻结法工程中，地下水与冻结温度场之间的相互作用是关键技术问题之一。传统研究主要集中在恒定渗流工况下，然而突发定渗流（即瞬时改变的渗流速度）对温度场的影响却鲜少被关注。针对这一空白，本文《突发定渗流作用下冻土温度场演化规律及判别方法》由张松等人进行深入探讨。 该研究利用相似理论构建模型试验系统，通过单排管冻结模型实验揭示了突发定渗流条件下的温度场变化。实验发现，当突发定渗流速度（vs）接近恒定渗流的极限交圈流速（vc）时，上、下游的未冻结区域温度随时间呈现线性增长；一旦vs超过vc，未冻结区域温度的变化趋势转为二次函数型，且vs值越大，这种非线性效应越明显。这表明定渗流速度对温度场的直接影响显著。 随着vs的增加，冻结壁的形态演变表现为从偏心冻结壁逐渐转变为独立的偏心冻土柱。这一转变反映了定渗流对冻结过程的不同阶段划分：初始的持续扩展阶段，随后是减速扩展，接着可能是冻结发展的抑制，最终可能导致全面损伤。这些阶段的变化不仅仅是几何上的，也与温度场的分布紧密相关。 在定渗流发生前，土体温度梯度呈现出三角函数分布特性。然而，当渗流启动后，上游温度梯度峰值显著上升，并向冻土区域移动，而下游的温度梯度则趋于平缓。这一现象揭示了定渗流如何扰动和重新分布温度场，对于理解和控制冻结过程中的温度动态至关重要。 研究者建议，在地层冻结过程中，尤其是持续扩展和减速扩展阶段，应特别关注突发定渗流的出现，因为这是判断工程安全性和优化冷量消耗的关键时期。他们提出了一种基于地层温度和温度梯度分布的判别方法，以帮助工程师更准确地评估和管理施工中的不确定性因素。 这项研究填补了人工冻结法工程中突发定渗流对温度场影响的研究空白，为冷冻法施工的稳定性控制提供了重要的理论依据和实践指导。通过深入理解温度场的演化规律，可以更好地预测和应对潜在的风险，确保冻土工程项目的顺利进行。