我国绝大多数寒冷地区属季节性冻土区,春季路堑边坡浅层滑塌失稳是一种多见的工程病害,一直受到国内外寒冷地区公路工程、岩土工程界的关注。入冬,大地封冻由表及里,土中水分向地表迁移;春季融化亦由表及里,表层融水不能渗入下部未融化的土层中,使上部土体含水量增加、强度减小,使原来的均质边坡成为非均质的边坡;有时冻融就导致浅层滑塌,显然地下水的活动起了关键作用。本文紧紧抓住冻融过程中地下水分的迁移这个核心问题,以工程应用为目的,土样试验和大型模型试验相结合,深入研究,建立冻融过程土中水分迁移模型,与数值分析结合,探讨路堑边坡冻融失稳的机理。研究先从各方面条件均能够很好控制的土样试验入手,针对路堑边坡含水量低、地下水埋藏深的特点,采取封闭系统,底部设隔水界面,单向冻结。在土样侧面布置温度传感器,通过顶板的温度控制冻结的速率,实时观测温度沿深度的变化,控制冻结、融化的进程,测试不同深度土中的含水量。原状土试验模拟天然状态,重塑土试验便于区分冻结、融化两个过程的作用,研究土中水分在冻融过程迁移的规律。试验中同步记录的各深度处的温度,测定冻、融过程中含水量随深度的变化的数据,与初始含水量比较,为进一步建立冻融过程中水分迁移模型奠定了基础。试验中,选取相同含水量的土样,设定了5种温度模式,测定不同温度梯度下土中水分的迁移量;按五种设定的含水量调制土样,在相同温度梯度条件下,对不同初始含水量的土样,分别测定土中水分的迁移量。对含水量均匀的土样,分别测试完全冻结和冻结后从顶面融化到设定位置的含水量分布,研究融化到设定位置后,冻结面上水分聚集层的位置及其含水量的变化情况。试验结果表明,冻结并融化到设定位置后,土样未融化部分出现横向和竖向的裂缝、明显的冻融分界线;控制不同顶板温度,不同含水量的试样中各点处温度的变化趋势基本相同;不同初始含水量,冻融后含水量的分布曲线的趋势是相同的,上部土层的含水量增加、下部土层的含水量减少;顶板控温相同,初始含水量大的土样,冻结要消耗的潜热量大,冻结速度慢,迁移的水分多,水分集聚亦多;不同冻结温度和融化温度对试样中水分的迁移影响非常明显,顶板冻结温度越高,水分积聚越明显。重塑的粉质粘土含水量均匀的土样,自上而下冻结后出现含冰量不均匀现象,有的形成冰夹层;冻结后自上而下融化到设定位置后,在冻融交界面之上水分聚集,出现一个含水量最大的薄层。针对现有的水分迁移机制仍然存在的疑问,冻融过程中水分迁移模型偏于复杂,有的参数值不能直接通过试验获得,对土体工程特性考虑不足,一些建模尚缺乏实验论证,应用的结果往往不够理想的局面,建模不追求对多孔多相介质带相变的固、液、汽、热耦合的统一研究,暂不考虑水分迁移对温度场的反馈影响,强调水气扩散在冻结过程中迁移的重要性,从工程角度出发,宏观上把握水分迁移量与温度梯度的关系,分别考虑冻结、融化过程中水分迁移的机理,借助Fick和Darcy定律进一步改进建立模型。(1)假定非饱和土中水分在冻结过程中主要以水汽扩散形式的迁移,在此过程中液态水通过转化为水汽参加迁移,未具体考虑转化过程。推导、计算中,设定了冻结锋面以下土层中水汽的浓度方程,建立了浓度-深度随冻结锋面发展的移动坐标系。为考虑温度梯度的影响,在Fick定律公式的右边乘上温度梯度,得到了修正的非饱和土的Fick定律,作为冻结过程的水分迁移模型,发展了计算方法和程序。本文采用一个综合的扩散项,而不是另增加一个由温度梯度引起的扩散项。从物理上看,表达了温度梯度直接影响扩散率,而不是在原来的水气扩散量的基础上再增加一部分;从数学上看,少了一个参数,便于参数的估计。(2)假定融化过程中,融土中水分迁移主要是在重力作用下的竖向渗流。用增加温度梯度引起的水分迁移项来修正非饱和土达西定律,作为融化过程中的水分迁移模型。接着,以试验得到的冻结、融化后含水量沿试样深度的分布曲线为目标函数,以本文所建立的冻、融中水分迁移模型为正演模块,借助遗传算法反演了上述两个模型的参数。分别把反演结果及其平均值代入模型中计算含水量沿土样深度的分布曲线与试验得到的各个曲线对比,论证了模型可靠性及本文思路的可行性。本文将较大比例尺的室内边坡冻融失稳模型试验设计为土样试验和现场原位观测之间的一个既有一定体积、又可以很好控制各种边界条件的中间环节,弥补土样尺寸小受边界影响大的缺陷。在归纳国内外类似试验的方案、确定模型相似律的基础上,设计、制作了60厘米高的边坡模型以及温度控制条件,在表层密集布设温度、含水量观测传感器,每隔5分钟采集一组数据。试验采用了根据电磁脉冲反射方法研制的时域反射仪TDR,对量值随温度的变化做了标定。经过35天,历时840小时,5个冻融循环,试验显示了水分迁移、冻裂、分凝冰层生成、坡面局部滑塌等现象。通过记录的数据分析,说明温度场控制得比较好,含水量变化比较复杂。对第一个冻融循环的仔细分析,说明了冻结中水分扩散向上迁移,融化过程中向下渗流的规律。依据试验结果阐述了坡面滑塌的主要原因是土层含水量提高引起抗剪强度的降低。为了研究冻融对土的抗剪强度的影响,定量地揭示含水量提高所引起土层抗剪强度降低的程度,通过制备不同含水量的土样,经过冻融过程,采用三轴不排水剪切试验,测得土的抗剪强度参数。结果表明抗剪强度指标确实下降很大,验证了本文试验中边坡发生滑塌主要是由于浅层土体含水量增加很多,导致土的抗剪强度大幅下降是重要因素的结论。最后,本文对试验的边坡模型,进行了冻融稳定性数值分析。在有限元分析软件ABAQUS的基础上二次开发,建立了冻融边坡模型的有限元模型,设置了边界条件和单元参数。在垂直坡面3.0米的深度内,按0.3米划分网格为冻融网格,以下为非冻融网格,借助ABAQUS/CAE生成inp形式输入文件。根据模型试验中观测到的温度场,冻结和融化过程中水分的迁移,含水量和三轴试验结果统计关系修正冻融单元的抗剪强度参数,计算了冻结后融化到5个不同深度时模型的变形和内力,结果显现了浅层滑动的可能性。