在全球气候变暖的大趋势下,冻土退化进程加剧对冻土区的工程建设与生态环境等产生了深远的影响。严寒地区的冻土融化过程中,土壤多孔介质的导热系数受固体骨架与孔隙内物质相态变化的双重调控,呈现出动态特性。冻土作为一种由冰、水、气体及矿物颗粒组成的多相复合介质,其导热系数受冰水相变、孔隙结构及未冻水迁移等多因素耦合影响。 本文以严寒地区正在融化的冻土作为研究对象,将其分为已融区、正融区和未融区;基于表征单元体(Representative Elementary Volume)选取方法,并以孔隙度作为代表性状态变量,从“点-线-面”三个维度建立了正融区的冻土REV导热系数计算模型,分别为简略“点”结构体积加权REV模型、精细“线”结构体积加权REV模型和宏观“面”结构体积加权REV模型,并推导出各个模型的导热系数计算公式。 根据已有试验数据对所建立的模型进行对比验证,最大偏差为6.34%,最小偏差为0.72%,与试验值拟合良好,证明所建立的模型具有一定的合理性和实用性。以粉质黏土为例,分析孔隙率、初始含水率、温度、孔隙通道分布系数以及迂曲度对冻土导热系数的影响规律,结果表明冻土的导热系数随初始含水率、孔隙通道分布系数、迂曲度增大而增大,随孔隙率增大和温度升高而减小。 使用COMSOL多物理场耦合有限元分析软件进行热-水-力三场耦合计算,通过集成非稳态热传导方程、达西定律及弹塑性力学本构关系,建立了包含相变潜热、未冻水迁移效应及冻胀融沉变形的控制方程组,分析了融化过程模型温度场、水分场及应力场的变化规律,并将模拟值、模型计算值与试验值进行对比,发现基本吻合,进一步验证了模型的准确性。