凍土地基預(yù)融技術(shù)中基于多模型的水熱耦合機(jī)制深度解析與工程應(yīng)用一、引言1.1研究背景與意義在全球范圍內(nèi)，凍土廣泛分布于高緯度地區(qū)和高海拔地區(qū)，如北極圈附近、青藏高原等。這些地區(qū)的工程建設(shè)，無論是交通基礎(chǔ)設(shè)施（如公路、鐵路、機(jī)場跑道）、能源開發(fā)項(xiàng)目（如石油管道、天然氣設(shè)施），還是建筑工程（如房屋、橋梁），都不可避免地面臨凍土地基問題。凍土是一種對(duì)溫度極為敏感的特殊土體，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，凍土中的水分會(huì)發(fā)生相變，導(dǎo)致土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著改變。這種變化會(huì)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。凍土地基的主要問題包括凍脹和融沉。在凍結(jié)過程中，土中的水分會(huì)結(jié)冰膨脹，導(dǎo)致土體體積增大，產(chǎn)生凍脹力。這種凍脹力如果作用在工程結(jié)構(gòu)物上，可能會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)上拔、墻體開裂、路面隆起等破壞現(xiàn)象。而在融化過程中，凍土中的冰融化成水，土體的強(qiáng)度降低，孔隙率減小，從而產(chǎn)生融沉變形。融沉變形可能導(dǎo)致建筑物下沉、地基不均勻沉降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)构こ探Y(jié)構(gòu)倒塌。為了解決凍土地基對(duì)工程建設(shè)的不利影響，預(yù)融技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。凍土地基預(yù)融技術(shù)是指在工程建設(shè)前，通過人工方法將地基中的凍土預(yù)先融化，使其轉(zhuǎn)化為非凍土狀態(tài)，從而消除凍脹和融沉的潛在危害。這種技術(shù)在一些工程實(shí)踐中已經(jīng)得到應(yīng)用，并取得了一定的效果。例如，在某些寒冷地區(qū)的機(jī)場建設(shè)中，采用預(yù)融技術(shù)處理跑道地基，有效地減少了跑道在使用過程中的變形，提高了跑道的平整度和安全性。然而，凍土地基預(yù)融過程是一個(gè)復(fù)雜的水熱耦合過程。在預(yù)融過程中，熱量的輸入會(huì)導(dǎo)致凍土溫度升高，水分發(fā)生相變和遷移，同時(shí)土體的物理力學(xué)性質(zhì)也會(huì)發(fā)生變化。這些因素相互作用、相互影響，使得預(yù)融過程的機(jī)理十分復(fù)雜。如果對(duì)水熱耦合過程缺乏深入的理解和準(zhǔn)確的分析，可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)融方案不合理，預(yù)融效果不理想，甚至可能引發(fā)新的工程問題。水熱耦合分析對(duì)于優(yōu)化凍土地基預(yù)融技術(shù)具有至關(guān)重要的作用。通過水熱耦合分析，可以深入了解預(yù)融過程中溫度場和水分場的變化規(guī)律，揭示水熱遷移的內(nèi)在機(jī)制。這有助于預(yù)測預(yù)融過程中可能出現(xiàn)的問題，如局部過熱、水分積聚等，并據(jù)此制定合理的預(yù)融方案。同時(shí)，水熱耦合分析還可以為預(yù)融技術(shù)的參數(shù)優(yōu)化提供依據(jù)，如確定最佳的加熱方式、加熱功率、加熱時(shí)間等，從而提高預(yù)融效率，降低工程成本。此外，通過水熱耦合分析得到的結(jié)果，還可以為工程設(shè)計(jì)提供參考，如確定地基的承載能力、變形特性等，確保工程結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定。因此，開展凍土地基預(yù)融技術(shù)的水熱耦合分析，對(duì)于推動(dòng)凍土工程領(lǐng)域的發(fā)展，保障寒區(qū)工程建設(shè)的順利進(jìn)行具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1凍土地基預(yù)融技術(shù)研究現(xiàn)狀國外對(duì)凍土地基預(yù)融技術(shù)的研究起步較早。早在20世紀(jì)中葉，一些凍土分布廣泛的國家，如俄羅斯、加拿大、美國等，就開始在寒區(qū)工程建設(shè)中探索預(yù)融技術(shù)的應(yīng)用。俄羅斯在西伯利亞地區(qū)的石油天然氣管道建設(shè)以及鐵路工程中，針對(duì)多年凍土地基問題，采用了多種預(yù)融方法，包括蒸汽加熱、熱水循環(huán)等方式來融化凍土。這些早期的實(shí)踐為凍土地基預(yù)融技術(shù)的發(fā)展積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。隨著科技的不斷進(jìn)步，國外在預(yù)融技術(shù)的設(shè)備研發(fā)和工藝改進(jìn)方面取得了一定成果。例如，加拿大研發(fā)了高效的電加熱預(yù)融設(shè)備，能夠精確控制加熱溫度和時(shí)間，提高了預(yù)融效率和均勻性。美國則在阿拉斯加地區(qū)的工程建設(shè)中，采用了新型的熱棒技術(shù)與預(yù)融技術(shù)相結(jié)合的方法，通過熱棒將熱量傳遞到凍土中，實(shí)現(xiàn)凍土的預(yù)先融化，同時(shí)利用熱棒的單向傳熱特性，在工程運(yùn)行期間保持地基的穩(wěn)定。在國內(nèi)，隨著青藏鐵路、公路等大型寒區(qū)工程的建設(shè)，凍土地基預(yù)融技術(shù)得到了廣泛關(guān)注和深入研究。青藏鐵路建設(shè)過程中，科研人員針對(duì)青藏高原高溫、高含冰量凍土的特點(diǎn)，開展了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)和理論研究，提出了一系列適合高原地區(qū)的預(yù)融技術(shù)方案。例如，采用遮陽棚、隔熱材料等措施改變地基表面的熱狀況，實(shí)現(xiàn)凍土的緩慢預(yù)融；利用熱管、通風(fēng)管等主動(dòng)冷卻技術(shù)與預(yù)融技術(shù)相結(jié)合，控制地基溫度，減少融沉變形。此外，在東北、新疆等凍土區(qū)的工程建設(shè)中，也對(duì)預(yù)融技術(shù)進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用和技術(shù)創(chuàng)新。如在漠河機(jī)場工程中，采用蒸汽預(yù)融技術(shù)處理跑道地基，有效地改善了地基的穩(wěn)定性。1.2.2水熱耦合分析研究現(xiàn)狀在水熱耦合分析理論方面，國外學(xué)者從20世紀(jì)70年代開始進(jìn)行深入研究。1973年，Harlan提出了考慮土壤水熱耦合過程的模型，為水熱耦合分析奠定了理論基礎(chǔ)。隨后，Jansson等提出了SOIL模型，并將其發(fā)展成為COUP模型，該模型能夠模擬土壤中水分和熱量的傳輸過程，考慮了土壤質(zhì)地、初始含水量、溫度等因素的影響。Flerchinger等基于Harlan的模型，提出了以模擬土壤凍結(jié)和融化為主要特征的陸面過程的SHAW模型，該模型在考慮雪蓋的同時(shí)還增加了凍土水熱耦合過程，能夠更準(zhǔn)確地描述凍土區(qū)的水熱變化。這些模型在試驗(yàn)點(diǎn)尺度上獲得了廣泛驗(yàn)證，為凍土地基水熱耦合分析提供了重要的理論工具。國內(nèi)學(xué)者在水熱耦合分析領(lǐng)域也取得了豐碩成果。苗天德等運(yùn)用混合物理論建立了正凍土中水熱遷移問題的模型，從微觀角度揭示了水熱遷移的內(nèi)在機(jī)制。賴遠(yuǎn)明等針對(duì)寒區(qū)隧道、擋土墻等工程，開展了溫度場、滲流場和應(yīng)力場耦合問題的非線性分析，提出了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算方法。李寧等建立了凍土路基溫度場、變形場和應(yīng)力場的耦合分析模型，研究了凍土路基在溫度變化和荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)。這些研究成果豐富了水熱耦合分析的理論體系，推動(dòng)了其在工程實(shí)際中的應(yīng)用。在數(shù)值模擬方面，國內(nèi)外學(xué)者廣泛采用有限元法、有限差分法等數(shù)值方法對(duì)凍土地基的水熱耦合過程進(jìn)行模擬分析。例如，戚春香等采用有限元模擬方法，建立了多年凍土區(qū)跑道水熱力耦合的地基二維有限元模型，計(jì)算了跑道道面結(jié)構(gòu)和地基整體溫度應(yīng)力的分布規(guī)律，驗(yàn)證了基于水熱耦合的有限元模擬計(jì)算凍土溫度場的方法的有效性。吳曉玲等利用有限體積法離散求解熱傳導(dǎo)方程和非飽和土壤水運(yùn)動(dòng)方程，建立了凍土區(qū)土壤水熱耦合模型，通過對(duì)青海三江源區(qū)凍土活動(dòng)層內(nèi)的土壤水熱特征的模擬分析，揭示了該區(qū)域的土壤水熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律。1.2.3研究不足與展望盡管國內(nèi)外在凍土地基預(yù)融技術(shù)和水熱耦合分析方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之處。在預(yù)融技術(shù)方面，目前的預(yù)融方法在適用性和效率方面存在一定局限性。例如，蒸汽加熱和熱水循環(huán)等方法能耗較高，對(duì)環(huán)境影響較大；電加熱方法雖然加熱均勻性較好，但設(shè)備成本較高，且在大面積應(yīng)用時(shí)存在技術(shù)難題。此外，不同預(yù)融方法對(duì)凍土物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律尚未完全明確，缺乏系統(tǒng)的研究。在水熱耦合分析方面，現(xiàn)有的水熱耦合模型大多基于一定的假設(shè)條件，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件和邊界條件的適應(yīng)性較差。例如，在考慮凍土中水分遷移時(shí)，往往忽略了土體結(jié)構(gòu)變化對(duì)水分遷移的影響；在模擬溫度場時(shí)，對(duì)太陽輻射、大氣對(duì)流等外部熱交換因素的考慮不夠全面。同時(shí)，模型參數(shù)的確定大多依賴于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)公式，缺乏現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，導(dǎo)致模型的預(yù)測精度有待提高。未來的研究可以從以下幾個(gè)方面展開：一是研發(fā)高效、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)的凍土地基預(yù)融新技術(shù)，如利用新型能源（太陽能、地?zé)崮艿龋┻M(jìn)行預(yù)融，或者開發(fā)復(fù)合預(yù)融技術(shù)，結(jié)合多種預(yù)融方法的優(yōu)點(diǎn)，提高預(yù)融效果。二是深入研究凍土地基預(yù)融過程中的水熱耦合機(jī)理，考慮更多的影響因素，建立更加完善的水熱耦合模型。例如，引入土體微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)水熱遷移的影響，改進(jìn)模型的邊界條件處理方法，提高模型對(duì)復(fù)雜工程環(huán)境的適應(yīng)性。三是加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)測和試驗(yàn)研究，獲取更多的實(shí)測數(shù)據(jù)，用于驗(yàn)證和改進(jìn)水熱耦合模型，為凍土地基預(yù)融技術(shù)的優(yōu)化提供可靠依據(jù)。此外，還可以開展多學(xué)科交叉研究，將巖土工程、材料科學(xué)、熱物理學(xué)等學(xué)科的理論和方法相結(jié)合，推動(dòng)凍土地基預(yù)融技術(shù)和水熱耦合分析的發(fā)展。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文對(duì)凍土地基預(yù)融技術(shù)的水熱耦合分析展開研究，主要內(nèi)容如下：凍土地基預(yù)融技術(shù)分析：系統(tǒng)研究當(dāng)前常見的凍土地基預(yù)融技術(shù)，包括蒸汽加熱、熱水循環(huán)、電加熱等方法，深入分析各種方法的原理、工藝流程以及適用條件。結(jié)合實(shí)際工程案例，詳細(xì)探討不同預(yù)融技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)缺點(diǎn)，如蒸汽加熱的高效性但高能耗問題、電加熱的精確控制但高成本問題等。水熱耦合基本理論研究：深入剖析凍土中水熱耦合的基本原理，包括熱量傳遞的方式（熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射）以及水分遷移的機(jī)制（液態(tài)水的滲流、水汽的擴(kuò)散）。研究凍土的物理性質(zhì)（導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、滲透率等）和熱力學(xué)性質(zhì)（相變潛熱、未凍水含量與溫度的關(guān)系等）對(duì)水熱耦合過程的影響。建立水熱耦合的基本數(shù)學(xué)模型，明確模型中各項(xiàng)參數(shù)的物理意義和取值范圍。水熱耦合模型的建立與求解：基于傳熱學(xué)和滲流力學(xué)的基本原理，建立考慮凍土特性的水熱耦合數(shù)學(xué)模型。模型應(yīng)充分考慮凍土中水分相變、熱量傳遞以及土體骨架變形之間的相互作用。采用適當(dāng)?shù)臄?shù)值方法（如有限元法、有限差分法）對(duì)建立的水熱耦合模型進(jìn)行離散化處理，將連續(xù)的數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為可求解的代數(shù)方程組。利用數(shù)值計(jì)算軟件（如ANSYS、COMSOL等）對(duì)離散后的方程組進(jìn)行求解，得到凍土地基預(yù)融過程中溫度場和水分場隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律。影響因素分析：通過數(shù)值模擬和理論分析，研究不同因素對(duì)凍土地基預(yù)融過程中水熱耦合的影響。分析加熱功率、加熱時(shí)間、初始凍土溫度、含水量等因素對(duì)溫度場分布和水分遷移的影響規(guī)律。探討土體類型、孔隙結(jié)構(gòu)、地下水位等地質(zhì)條件對(duì)水熱耦合過程的影響，明確不同因素在水熱耦合過程中的作用機(jī)制和敏感程度。模型驗(yàn)證與工程應(yīng)用：收集現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)或?qū)嶒?yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)建立的水熱耦合模型進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)驗(yàn)證后的模型，對(duì)實(shí)際工程中的凍土地基預(yù)融過程進(jìn)行模擬分析，為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)依據(jù)。提出基于水熱耦合分析的凍土地基預(yù)融技術(shù)優(yōu)化方案，包括合理選擇預(yù)融方法、確定最佳的加熱參數(shù)等，以提高預(yù)融效果和工程的安全性。1.3.2研究方法本文綜合運(yùn)用多種研究方法，確保研究的全面性和深入性：文獻(xiàn)研究法：廣泛查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，包括學(xué)術(shù)期刊論文、學(xué)位論文、研究報(bào)告、工程規(guī)范等，全面了解凍土地基預(yù)融技術(shù)和水熱耦合分析的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在的問題。梳理已有的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為本文的研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)參考。理論分析法：運(yùn)用傳熱學(xué)、滲流力學(xué)、土力學(xué)等相關(guān)學(xué)科的基本理論，對(duì)凍土地基預(yù)融過程中的水熱耦合現(xiàn)象進(jìn)行深入分析。建立水熱耦合的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)模型中各項(xiàng)參數(shù)的計(jì)算公式，從理論上揭示水熱遷移的內(nèi)在規(guī)律。數(shù)值模擬法：采用有限元、有限差分等數(shù)值方法，對(duì)建立的水熱耦合數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解。利用專業(yè)的數(shù)值計(jì)算軟件，構(gòu)建凍土地基的數(shù)值模型，模擬不同工況下的預(yù)融過程，得到溫度場、水分場等物理量的分布和變化情況。通過數(shù)值模擬，可以直觀地展示水熱耦合過程，分析各種因素對(duì)預(yù)融效果的影響，為工程設(shè)計(jì)提供定量依據(jù)。對(duì)比分析法：對(duì)比不同預(yù)融技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)、不同數(shù)值模擬結(jié)果以及模擬結(jié)果與實(shí)際觀測數(shù)據(jù)。通過對(duì)比分析，找出最優(yōu)的預(yù)融技術(shù)方案和數(shù)值模擬方法，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性和可靠性，發(fā)現(xiàn)研究中存在的問題并提出改進(jìn)措施。案例分析法：選取實(shí)際的凍土地基預(yù)融工程案例，對(duì)其預(yù)融過程進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和工程經(jīng)驗(yàn)，深入研究水熱耦合在實(shí)際工程中的表現(xiàn)和影響，將理論研究成果應(yīng)用于實(shí)際工程，為工程實(shí)踐提供指導(dǎo)。二、凍土地基預(yù)融技術(shù)概述2.1預(yù)融技術(shù)原理與分類2.1.1原理剖析凍土地基預(yù)融技術(shù)的核心原理是通過人為施加外部能量，打破凍土原有的熱平衡狀態(tài)，促使凍土中的冰發(fā)生融化相變，進(jìn)而改變凍土的物理力學(xué)性質(zhì)，使其滿足工程建設(shè)的需求。在凍土中，冰的存在賦予了土體獨(dú)特的力學(xué)特性，冰與土顆粒之間的相互作用使得凍土具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性。然而，這種特性在工程建設(shè)過程中可能帶來諸多隱患，例如凍脹和融沉現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。預(yù)融技術(shù)通過改變凍土的溫度和水分狀態(tài)來消除這些隱患。當(dāng)對(duì)凍土地基進(jìn)行預(yù)融時(shí)，熱量被傳遞到凍土中，使凍土的溫度逐漸升高。隨著溫度的上升，凍土中的冰開始吸收熱量并發(fā)生融化，從固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)。這一相變過程不僅改變了土體中固相、液相和氣相的組成比例，還導(dǎo)致土體的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生顯著變化。冰的融化使得土體的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，孔隙體積增大，土顆粒之間的排列方式也相應(yīng)調(diào)整，從而使土體的強(qiáng)度降低、壓縮性增大。同時(shí)，融化產(chǎn)生的水分在土體中重新分布，可能會(huì)導(dǎo)致土體的飽和度增加，進(jìn)一步影響土體的力學(xué)性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，預(yù)融技術(shù)的實(shí)施需要精確控制熱量的輸入和分布，以確保凍土能夠均勻、有效地融化。不同的預(yù)融方法采用不同的加熱方式和設(shè)備，如蒸汽預(yù)融利用蒸汽的高溫?zé)崃總鬟f，電加熱預(yù)融通過電流產(chǎn)生的焦耳熱來加熱土體。這些方法在熱量傳遞方式、加熱效率和溫度控制精度等方面存在差異，因此需要根據(jù)具體的工程地質(zhì)條件、凍土特性和工程要求選擇合適的預(yù)融技術(shù)。2.1.2分類闡述常見的凍土地基預(yù)融技術(shù)包括蒸汽預(yù)融、電加熱預(yù)融、石灰樁預(yù)融等，每種技術(shù)都有其獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。蒸汽預(yù)融技術(shù)：蒸汽預(yù)融是一種較為傳統(tǒng)且應(yīng)用廣泛的預(yù)融方法。其原理是利用蒸汽的高溫潛熱，通過專門設(shè)計(jì)的蒸汽管道或設(shè)備將蒸汽輸送到凍土地基中，蒸汽與凍土進(jìn)行熱交換，將熱量傳遞給凍土，使凍土中的冰融化。在實(shí)際操作中，通常會(huì)在地基中布置一系列的蒸汽注入管，蒸汽從這些管道中噴出，與周圍的凍土接觸。由于蒸汽的溫度高于凍土的溫度，熱量迅速從蒸汽傳遞到凍土中，導(dǎo)致凍土中的冰逐漸融化。蒸汽預(yù)融的優(yōu)點(diǎn)在于加熱速度快，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)使凍土達(dá)到較高的溫度，從而實(shí)現(xiàn)快速預(yù)融。此外，蒸汽的熱傳遞效率高，能夠較為均勻地加熱凍土，減少局部過熱或加熱不均勻的問題。然而，蒸汽預(yù)融也存在一些缺點(diǎn)，例如能耗較高，需要消耗大量的能源來產(chǎn)生蒸汽；對(duì)設(shè)備和管道的要求較高，蒸汽管道需要具備良好的保溫性能和耐壓性能，以防止蒸汽泄漏和熱量散失，這增加了工程的成本和施工難度。電加熱預(yù)融技術(shù)：電加熱預(yù)融技術(shù)是利用電流通過導(dǎo)體產(chǎn)生焦耳熱的原理來加熱凍土地基。在這種技術(shù)中，通常會(huì)在凍土中埋設(shè)電極或加熱元件，當(dāng)電流通過這些電極或加熱元件時(shí)，電能轉(zhuǎn)化為熱能，使周圍的凍土溫度升高，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)凍土的預(yù)融。電加熱預(yù)融技術(shù)具有加熱均勻性好的優(yōu)點(diǎn)，通過合理布置電極和控制電流，可以精確地控制加熱區(qū)域和溫度分布，使凍土在整個(gè)預(yù)融過程中受熱均勻。此外，電加熱預(yù)融技術(shù)的溫度控制精度高，可以根據(jù)工程需要實(shí)時(shí)調(diào)整加熱功率和溫度，滿足不同工程對(duì)預(yù)融效果的要求。然而，該技術(shù)也存在一些局限性，如設(shè)備成本較高，需要購置專門的電源設(shè)備、電極和控制裝置；在大面積應(yīng)用時(shí)，由于需要鋪設(shè)大量的電極和電纜，施工難度較大，且可能會(huì)受到電源供應(yīng)和輸電線路的限制。石灰樁預(yù)融技術(shù)：石灰樁預(yù)融技術(shù)是基于生石灰水化反應(yīng)放熱的特性來融化凍土。將生石灰填入預(yù)先打好的樁孔中，生石灰與土中的水分發(fā)生水化反應(yīng)，生成氫氧化鈣，并釋放出大量的熱量。這些熱量能夠使周圍的凍土溫度升高，促使凍土中的冰融化。在石灰樁預(yù)融過程中，生石灰的水化反應(yīng)不僅釋放熱量，還會(huì)吸收土中的水分，降低土體的含水量。同時(shí)，反應(yīng)生成的氫氧化鈣會(huì)與土顆粒發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，如離子交換、膠凝作用等，使土顆粒之間的連接更加緊密，從而提高土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。石灰樁預(yù)融技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是材料成本較低，生石灰是一種常見且價(jià)格相對(duì)低廉的建筑材料；對(duì)環(huán)境的影響較小，相比于一些需要消耗大量能源的預(yù)融方法，石灰樁預(yù)融技術(shù)更加環(huán)保。然而，該技術(shù)也存在一些不足之處，如預(yù)融效果受石灰樁的布置密度、樁身質(zhì)量和土體性質(zhì)等因素的影響較大，如果石灰樁布置不合理或樁身質(zhì)量不佳，可能會(huì)導(dǎo)致預(yù)融不均勻或預(yù)融效果不理想。此外，石灰樁的施工過程較為復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制生石灰的填入量、夯實(shí)程度和樁孔的間距等參數(shù)，以確保預(yù)融效果和工程質(zhì)量。2.2預(yù)融技術(shù)在工程中的應(yīng)用實(shí)例2.2.1青藏鐵路工程案例青藏鐵路作為世界上海拔最高、線路最長的高原鐵路，其建設(shè)過程中面臨著嚴(yán)峻的凍土地基挑戰(zhàn)。青藏高原的凍土具有高含冰量、高溫等特點(diǎn)，對(duì)鐵路工程的穩(wěn)定性構(gòu)成了極大威脅。在部分路段，凍土的年平均地溫接近或高于-1.0℃，且含冰量高達(dá)40%-80%，這使得凍脹和融沉現(xiàn)象極易發(fā)生。為了解決這些問題，青藏鐵路建設(shè)中采用了多種預(yù)融技術(shù)，并取得了顯著成效。在一些高溫不穩(wěn)定凍土路段，采用了遮陽棚與隔熱材料相結(jié)合的預(yù)融措施。通過在路基表面搭建遮陽棚，有效減少了太陽輻射對(duì)地基的熱量輸入，降低了地基溫度的上升速率。同時(shí)，鋪設(shè)高性能的隔熱材料，如聚苯乙烯泡沫板、聚氨酯泡沫板等，進(jìn)一步阻止了熱量向地基深處傳遞，實(shí)現(xiàn)了凍土的緩慢預(yù)融。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，采用遮陽棚和隔熱材料后，地基表面溫度在夏季可降低3-5℃，凍土上限基本保持穩(wěn)定，融沉變形得到了有效控制，路基的沉降量明顯減小，確保了鐵路軌道的平順性和穩(wěn)定性。此外，青藏鐵路還采用了熱管與預(yù)融技術(shù)相結(jié)合的方案。熱管是一種高效的熱傳導(dǎo)裝置，利用工質(zhì)的相變來傳遞熱量。在冬季，熱管將地基中的熱量傳遞到大氣中，降低地基溫度，增強(qiáng)凍土的穩(wěn)定性；在夏季，熱管停止工作，防止大氣熱量傳入地基。與預(yù)融技術(shù)配合，先通過預(yù)融使部分凍土融化，調(diào)整地基的水分和溫度分布，再利用熱管在運(yùn)營期間維持地基的熱穩(wěn)定。這種方法在高含冰量凍土路段取得了良好效果，有效防止了凍脹和融沉對(duì)鐵路路基的破壞，保障了青藏鐵路的安全運(yùn)營。2.2.2其他工程案例分析除了青藏鐵路，在其他寒區(qū)工程中也有凍土地基預(yù)融技術(shù)的應(yīng)用，不同工程根據(jù)自身特點(diǎn)選擇了合適的預(yù)融技術(shù)，同時(shí)也面臨著一些問題。在漠河機(jī)場跑道改擴(kuò)建工程中，地基為島狀多年凍土，凍土上限8m，下限約16m，年平均地溫約為-0.1℃。針對(duì)這種情況，工程采用了石灰樁預(yù)融技術(shù)。根據(jù)生石灰水化反應(yīng)放熱的特點(diǎn)，在地基中設(shè)置石灰樁。生石灰與土中的水分發(fā)生反應(yīng)，釋放出大量熱量，使周圍的凍土融化。同時(shí)，石灰樁還對(duì)融化后的地基土起到擠密加固作用。通過現(xiàn)場試驗(yàn)確定了保證石灰樁預(yù)融效果的關(guān)鍵要素：樁體含水率應(yīng)控制在15%-19%；從拌和到分層夯填完成時(shí)間須控制在5min以內(nèi)；生石灰粒徑宜控制在6cm以內(nèi)。然而，該工程在應(yīng)用石灰樁預(yù)融技術(shù)時(shí)也遇到了一些問題，如石灰樁的布置密度對(duì)預(yù)融效果影響較大，如果布置過稀，會(huì)導(dǎo)致局部凍土融化不充分，影響地基的均勻性；此外，在施工過程中，由于生石灰的水化反應(yīng)較為劇烈，需要嚴(yán)格控制施工工藝，防止出現(xiàn)安全問題。在某石油管道工程穿越多年凍土區(qū)時(shí)，采用了蒸汽預(yù)融技術(shù)。通過在管道周圍鋪設(shè)蒸汽管道，將蒸汽通入凍土中，使凍土快速融化，為管道的鋪設(shè)創(chuàng)造條件。蒸汽預(yù)融技術(shù)在該工程中展現(xiàn)出加熱速度快的優(yōu)勢，能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成大面積凍土的預(yù)融，提高了施工效率。但是，蒸汽預(yù)融也存在能耗高的問題，需要消耗大量的能源來產(chǎn)生蒸汽，增加了工程成本。同時(shí)，蒸汽管道的鋪設(shè)和維護(hù)較為復(fù)雜，對(duì)施工技術(shù)要求較高，如果管道出現(xiàn)泄漏，不僅會(huì)影響預(yù)融效果，還可能對(duì)周圍環(huán)境造成熱污染。通過對(duì)這些工程案例的分析可以看出，不同的預(yù)融技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中各有優(yōu)劣。在選擇預(yù)融技術(shù)時(shí)，需要綜合考慮工程地質(zhì)條件、凍土特性、工程要求以及成本等多方面因素，以確保預(yù)融技術(shù)能夠有效地解決凍土地基問題，保障工程的安全和穩(wěn)定。三、水熱耦合基本理論3.1水熱耦合的物理過程3.1.1熱量傳遞機(jī)制在凍土地基中，熱量傳遞是一個(gè)復(fù)雜的過程，主要通過傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射三種方式進(jìn)行。這三種熱量傳遞方式在不同的條件下發(fā)揮著不同的作用，它們相互關(guān)聯(lián)、相互影響，共同決定了凍土地基中的溫度分布和變化。熱傳導(dǎo)是凍土中熱量傳遞的最基本方式。根據(jù)傅里葉定律，在各向同性的均勻介質(zhì)中，熱傳導(dǎo)的熱流密度與溫度梯度成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：q=-k\nablaT，其中q為熱流密度，k為導(dǎo)熱系數(shù)，\nablaT為溫度梯度。導(dǎo)熱系數(shù)k是反映材料導(dǎo)熱能力的重要參數(shù)，它取決于凍土的物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)以及含水量等因素。在凍土中，固體顆粒（如礦物質(zhì)顆粒）、冰和未凍水的導(dǎo)熱系數(shù)各不相同，且隨著溫度的變化而變化。一般來說，冰的導(dǎo)熱系數(shù)大于未凍水和固體顆粒，因此當(dāng)凍土中冰含量增加時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)會(huì)增大，熱量傳遞速度加快。例如，在溫度較低時(shí)，凍土中水分凍結(jié)成冰，冰的導(dǎo)熱性能使得熱量能夠更快速地在土體中傳遞，導(dǎo)致凍土溫度下降更快。熱對(duì)流在凍土地基中主要表現(xiàn)為孔隙水的流動(dòng)所攜帶的熱量傳遞。當(dāng)凍土中存在溫度梯度時(shí)，孔隙水會(huì)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，這種運(yùn)動(dòng)可以是由于重力作用引起的自然對(duì)流，也可以是由于外部壓力差導(dǎo)致的強(qiáng)迫對(duì)流。在自然對(duì)流情況下，溫度較高的孔隙水密度較小，會(huì)向上運(yùn)動(dòng)，而溫度較低的孔隙水密度較大，會(huì)向下運(yùn)動(dòng)，從而形成對(duì)流循環(huán)，實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞。例如，在靠近熱源的區(qū)域，孔隙水受熱膨脹，密度減小，向上流動(dòng)，將熱量帶到周圍土體中；而遠(yuǎn)離熱源的區(qū)域，孔隙水溫度較低，密度較大，向下流動(dòng)，補(bǔ)充到受熱區(qū)域。熱對(duì)流的強(qiáng)度與孔隙水的流速、溫度差以及土體的孔隙結(jié)構(gòu)等因素密切相關(guān)。孔隙水的流速越大，溫度差越大，熱對(duì)流傳遞的熱量就越多。此外，土體的孔隙結(jié)構(gòu)會(huì)影響孔隙水的流動(dòng)阻力，進(jìn)而影響熱對(duì)流的效果。如果土體孔隙細(xì)小且連通性差，孔隙水的流動(dòng)就會(huì)受到限制，熱對(duì)流作用就會(huì)減弱。熱輻射在凍土地基熱量傳遞中相對(duì)較小，但在某些情況下也不可忽視。熱輻射是物體由于具有溫度而輻射電磁波的現(xiàn)象，任何物體只要溫度高于絕對(duì)零度，都會(huì)向外輻射能量。在凍土地基中，土體表面與周圍環(huán)境之間存在熱輻射交換。例如，在白天，太陽輻射照射到凍土表面，土體吸收太陽輻射的能量，溫度升高；同時(shí)，土體也會(huì)向周圍環(huán)境輻射能量。熱輻射的能量傳遞遵循斯蒂芬-玻爾茲曼定律，即物體單位面積向外輻射的能量與物體絕對(duì)溫度的四次方成正比。熱輻射的影響因素包括物體的溫度、發(fā)射率以及周圍環(huán)境的溫度等。發(fā)射率是物體表面輻射特性的參數(shù)，不同材料的發(fā)射率不同，凍土表面的發(fā)射率會(huì)受到其表面性質(zhì)（如粗糙度、顏色等）的影響。此外，周圍環(huán)境的溫度也會(huì)影響熱輻射的方向和強(qiáng)度。當(dāng)周圍環(huán)境溫度較低時(shí)，凍土向周圍環(huán)境輻射的能量就會(huì)增加，反之則減少。在實(shí)際的凍土地基中，這三種熱量傳遞方式往往同時(shí)存在，相互作用。例如，在預(yù)融過程中，電加熱元件通過熱傳導(dǎo)將熱量傳遞給周圍的凍土，使凍土溫度升高；同時(shí)，凍土中的孔隙水在溫度梯度的作用下發(fā)生對(duì)流，將熱量傳遞到更遠(yuǎn)的區(qū)域；而凍土表面與周圍空氣之間也存在熱輻射交換，影響著熱量的散失和吸收。這種復(fù)雜的熱量傳遞過程使得凍土地基的溫度場分布呈現(xiàn)出動(dòng)態(tài)變化的特征，對(duì)凍土地基的預(yù)融效果和工程穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。3.1.2水分遷移規(guī)律凍土中的水分遷移是一個(gè)受多種因素影響的復(fù)雜過程，主要在溫度梯度和壓力梯度的作用下發(fā)生。水分遷移不僅會(huì)改變凍土的含水量分布，還會(huì)對(duì)凍土的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而影響凍土地基的穩(wěn)定性和工程性能。在溫度梯度作用下，凍土中的水分會(huì)發(fā)生遷移。當(dāng)凍土中存在溫度差時(shí)，水分會(huì)從溫度較高的區(qū)域向溫度較低的區(qū)域遷移。這是因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)影響水分的化學(xué)勢，水分總是傾向于從化學(xué)勢高的地方向化學(xué)勢低的地方移動(dòng)。具體來說，溫度較高區(qū)域的水分子具有較高的能量，其化學(xué)勢相對(duì)較高，而溫度較低區(qū)域的水分子能量較低，化學(xué)勢也較低。在這種化學(xué)勢差的驅(qū)動(dòng)下，水分會(huì)發(fā)生遷移。這種遷移主要通過液態(tài)水的滲流和水汽的擴(kuò)散兩種方式進(jìn)行。液態(tài)水在孔隙中滲流時(shí)，受到孔隙結(jié)構(gòu)和水流阻力的影響。如果凍土的孔隙較大且連通性好，液態(tài)水的滲流速度就會(huì)相對(duì)較快；反之，如果孔隙細(xì)小且曲折，滲流速度就會(huì)減慢。水汽擴(kuò)散則是由于水汽分子的熱運(yùn)動(dòng)，在存在水汽濃度梯度的情況下，水汽分子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。在凍土中，水汽濃度梯度往往與溫度梯度相關(guān)，溫度較高區(qū)域的水汽壓較高，水汽濃度也較大，因此水汽會(huì)向溫度較低的區(qū)域擴(kuò)散。壓力梯度也是導(dǎo)致凍土中水分遷移的重要因素。當(dāng)凍土中存在壓力差時(shí)，水分會(huì)在壓力的作用下發(fā)生遷移。壓力差可以由多種原因引起，例如地下水位的變化、土體的自重以及外部荷載的作用等。在地下水位上升時(shí)，會(huì)增加土體中的孔隙水壓力，使得水分從高孔隙水壓力區(qū)域向低孔隙水壓力區(qū)域遷移。土體的自重會(huì)導(dǎo)致土體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力分布，從而形成壓力梯度，促使水分遷移。外部荷載作用在凍土上時(shí)，也會(huì)改變土體的應(yīng)力狀態(tài)和孔隙水壓力分布，引發(fā)水分遷移。例如，在建筑物基礎(chǔ)的作用下，地基土中的應(yīng)力發(fā)生變化，孔隙水壓力重新分布，導(dǎo)致水分向周圍土體遷移。水分遷移的方向和速率會(huì)隨著溫度梯度和壓力梯度的變化而改變。當(dāng)溫度梯度和壓力梯度的方向一致時(shí)，水分遷移的速率會(huì)加快；而當(dāng)它們的方向相反時(shí)，水分遷移的速率會(huì)受到抑制。例如，在凍土地基的凍結(jié)過程中，如果溫度梯度和壓力梯度都促使水分向凍結(jié)鋒面遷移，那么水分遷移的速率就會(huì)增大，導(dǎo)致凍結(jié)鋒面附近的含水量增加，可能引起凍脹現(xiàn)象加劇。反之，如果溫度梯度和壓力梯度的方向相反，水分遷移的速率就會(huì)減小，凍脹現(xiàn)象可能會(huì)得到一定程度的緩解。此外，凍土的物理性質(zhì)，如孔隙率、滲透率、飽和度等，也會(huì)對(duì)水分遷移產(chǎn)生重要影響?？紫堵瘦^大的凍土，其容納水分的空間較大，水分遷移相對(duì)容易；滲透率高的凍土，水分在其中的滲流速度較快；而飽和度較高的凍土，水分遷移的阻力會(huì)增大，因?yàn)榭紫吨写蟛糠挚臻g已經(jīng)被水占據(jù)，可供水分遷移的通道減少。綜上所述，凍土中水分遷移是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到溫度梯度、壓力梯度以及凍土物理性質(zhì)等多種因素的綜合影響。深入了解水分遷移規(guī)律對(duì)于研究凍土地基的凍脹、融沉等現(xiàn)象以及工程建設(shè)中的地基處理具有重要意義。3.2水熱耦合的數(shù)學(xué)模型3.2.1基本方程推導(dǎo)凍土地基預(yù)融過程中的水熱耦合數(shù)學(xué)模型基于能量守恒和質(zhì)量守恒原理建立，充分考慮凍土中復(fù)雜的熱量傳遞和水分遷移現(xiàn)象。能量守恒方程：在凍土區(qū)域內(nèi)，根據(jù)能量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)微元體中能量的變化等于進(jìn)入微元體的凈熱量與微元體內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量之和。考慮到凍土中存在熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流以及水分相變潛熱等因素，能量守恒方程可表示為：\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+\rho_wL\frac{\partial\theta_i}{\partialt}+\rho_wc_w\mathbf{v}\cdot\nablaT其中，\rho為凍土的密度，c為凍土的比熱容，T為溫度，t為時(shí)間，k為導(dǎo)熱系數(shù)，\rho_w為水的密度，L為水的相變潛熱，\theta_i為冰的體積含量，c_w為水的比熱容，\mathbf{v}為孔隙水的流速。方程左邊\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}表示單位時(shí)間內(nèi)單位體積凍土的內(nèi)能變化。右邊第一項(xiàng)\nabla\cdot(k\nablaT)為熱傳導(dǎo)項(xiàng)，描述了由于溫度梯度引起的熱量傳遞，符合傅里葉定律，即熱流密度與溫度梯度成正比。第二項(xiàng)\rho_wL\frac{\partial\theta_i}{\partialt}是相變潛熱項(xiàng)，當(dāng)凍土中的冰融化或水凍結(jié)時(shí)，會(huì)吸收或釋放大量的潛熱，這一項(xiàng)反映了這種相變過程對(duì)能量的影響。第三項(xiàng)\rho_wc_w\mathbf{v}\cdot\nablaT為熱對(duì)流項(xiàng)，考慮了孔隙水流動(dòng)攜帶的熱量，體現(xiàn)了熱對(duì)流在熱量傳遞中的作用。質(zhì)量守恒方程：對(duì)于凍土中的水分遷移，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)微元體中水分質(zhì)量的變化等于流入微元體的凈水分質(zhì)量。在非飽和凍土中，水分包括液態(tài)水和水汽，質(zhì)量守恒方程可表示為：\frac{\partial(\theta_w\rho_w)}{\partialt}=-\nabla\cdot(\rho_w\mathbf{v})+\frac{\partial(\rho_v\theta_v)}{\partialt}其中，\theta_w為液態(tài)水的體積含量，\mathbf{v}為液態(tài)水的流速，\rho_v為水汽的密度，\theta_v為水汽的體積含量。方程左邊\frac{\partial(\theta_w\rho_w)}{\partialt}表示單位時(shí)間內(nèi)單位體積凍土中液態(tài)水質(zhì)量的變化。右邊第一項(xiàng)-\nabla\cdot(\rho_w\mathbf{v})表示液態(tài)水的流入或流出微元體的通量，體現(xiàn)了液態(tài)水在孔隙中的滲流情況。第二項(xiàng)\frac{\partial(\rho_v\theta_v)}{\partialt}為水汽質(zhì)量的變化項(xiàng)，考慮了水汽在凍土中的擴(kuò)散和相變對(duì)水分質(zhì)量的影響。液態(tài)水的流速\mathbf{v}通常根據(jù)達(dá)西定律確定：\mathbf{v}=-\frac{k_r}{\mu}(\nablaP-\rho_wg\nablaz)其中，k_r為相對(duì)滲透率，\mu為水的動(dòng)力粘度，P為孔隙水壓力，g為重力加速度，z為垂直坐標(biāo)。達(dá)西定律描述了在多孔介質(zhì)中，液態(tài)水的流速與孔隙水壓力梯度和重力梯度有關(guān)。相對(duì)滲透率k_r反映了土體孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)水流的阻礙程度，它是飽和度的函數(shù)，飽和度越高，相對(duì)滲透率越大，水流越容易通過土體。將能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程聯(lián)立，就構(gòu)成了凍土地基預(yù)融過程水熱耦合的基本數(shù)學(xué)模型。該模型全面考慮了凍土中熱量傳遞和水分遷移的相互作用，為深入研究凍土地基預(yù)融過程提供了理論基礎(chǔ)。通過求解這一數(shù)學(xué)模型，可以得到凍土中溫度場和水分場隨時(shí)間和空間的變化規(guī)律，從而為凍土地基預(yù)融技術(shù)的優(yōu)化和工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。3.2.2模型參數(shù)確定水熱耦合數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)，如比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、滲透率等，對(duì)模型的準(zhǔn)確性和可靠性起著關(guān)鍵作用。這些參數(shù)的確定需要綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)測量和理論計(jì)算等方法。比熱容：凍土的比熱容是指單位質(zhì)量的凍土溫度升高（或降低）1℃所吸收（或放出）的熱量，它反映了凍土儲(chǔ)存熱能的能力。比熱容與凍土的物質(zhì)組成密切相關(guān)，不同成分的比熱容不同，其中冰、水和土體顆粒的比熱容差異較大。在實(shí)驗(yàn)測量中，常用的方法有混合法和差示掃描量熱法（DSC）?；旌戏ㄊ菍⒁阎|(zhì)量和溫度的凍土樣品與一定量的已知比熱容的物質(zhì)（如水）混合，通過測量混合前后的溫度變化，根據(jù)熱量守恒原理計(jì)算凍土的比熱容。例如，將質(zhì)量為m_1、溫度為T_1的凍土樣品與質(zhì)量為m_2、比熱容為c_2、溫度為T_2的水混合，混合后的平衡溫度為T，則根據(jù)熱量守恒有m_1c_1(T-T_1)=m_2c_2(T_2-T)，由此可計(jì)算出凍土的比熱容c_1。差示掃描量熱法是一種熱分析技術(shù)，它通過測量樣品與參比物之間的熱流差隨溫度的變化，來確定物質(zhì)的比熱容。在測量凍土比熱容時(shí)，將凍土樣品和參比物（通常為藍(lán)寶石等已知比熱容的物質(zhì)）放入DSC儀器中，以一定的升溫速率加熱，儀器記錄下樣品和參比物的熱流差，通過與參比物的比熱容進(jìn)行對(duì)比，即可計(jì)算出凍土在不同溫度下的比熱容。此外，也可以根據(jù)凍土的成分和體積比，利用經(jīng)驗(yàn)公式估算比熱容。對(duì)于三相組成的凍土（土體顆粒、冰和水），其比熱容c可通過下式估算：c=c_s\theta_s+c_i\theta_i+c_w\theta_w其中，c_s、c_i、c_w分別為土體顆粒、冰和水的比熱容，\theta_s、\theta_i、\theta_w分別為土體顆粒、冰和水的體積含量。導(dǎo)熱系數(shù)：導(dǎo)熱系數(shù)是表征物質(zhì)導(dǎo)熱能力的物理量，它決定了熱量在凍土中的傳導(dǎo)速度。凍土的導(dǎo)熱系數(shù)與土體顆粒的性質(zhì)、冰和水的含量以及孔隙結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)測量導(dǎo)熱系數(shù)的方法主要有熱線法和熱盤法。熱線法是將一根熱線埋入凍土樣品中，通過向熱線施加恒定的熱流，測量熱線周圍溫度隨時(shí)間的變化，根據(jù)導(dǎo)熱理論公式計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。在測量過程中，熱線的熱流密度q、熱線半徑r_0以及不同時(shí)刻t_1和t_2的溫度T_1和T_2等參數(shù)已知，根據(jù)公式k=\frac{q}{4\pi(T_2-T_1)}\ln\frac{t_2}{t_1}可計(jì)算出導(dǎo)熱系數(shù)k。熱盤法是將一個(gè)薄的圓形熱盤與凍土樣品緊密接觸，熱盤同時(shí)作為加熱源和溫度傳感器，通過測量熱盤在加熱過程中的溫度響應(yīng)，利用特定的算法計(jì)算導(dǎo)熱系數(shù)。熱盤法測量速度較快，且能較好地反映凍土的各向異性。在理論計(jì)算方面，也有多種經(jīng)驗(yàn)公式可用于估算導(dǎo)熱系數(shù)。例如，deVries公式考慮了凍土中固相、液相和氣相的體積分?jǐn)?shù)以及各相的導(dǎo)熱系數(shù)，其表達(dá)式為：k=k_s^{\theta_s}k_i^{\theta_i}k_w^{\theta_w}k_a^{\theta_a}其中，k_s、k_i、k_w、k_a分別為土體顆粒、冰、水和空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，\theta_a為空氣的體積含量。滲透率：滲透率是衡量土體允許流體通過能力的參數(shù)，對(duì)于研究凍土中的水分遷移至關(guān)重要。滲透率與土體的孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒大小和形狀等因素密切相關(guān)。滲透率的實(shí)驗(yàn)測量通常采用達(dá)西實(shí)驗(yàn)裝置，通過測量一定時(shí)間內(nèi)通過土體樣品的水量和施加的水頭差，根據(jù)達(dá)西定律計(jì)算滲透率。在實(shí)驗(yàn)中，將長度為L、橫截面積為A的土體樣品兩端施加水頭差\Deltah，在時(shí)間t內(nèi)通過樣品的水量為Q，則根據(jù)達(dá)西定律Q=k\frac{A\Deltah}{L}t，可計(jì)算出滲透率k。此外，也可以通過理論模型如Kozeny-Carman公式來估算滲透率。該公式基于土體的孔隙率n和比表面積S，表達(dá)式為：k=\frac{n^3}{S^2C}其中，C為Kozeny常數(shù)，通常取值在5-7之間。通過準(zhǔn)確確定這些模型參數(shù)，可以提高水熱耦合數(shù)學(xué)模型對(duì)凍土地基預(yù)融過程的模擬精度，為深入研究凍土地基預(yù)融技術(shù)提供可靠的數(shù)值分析工具。四、水熱耦合分析方法4.1數(shù)值模擬方法4.1.1有限元法原理與應(yīng)用有限元法是一種高效且廣泛應(yīng)用于求解各類工程問題的數(shù)值方法，在凍土地基水熱耦合分析中發(fā)揮著重要作用。其核心原理是將連續(xù)的凍土地基離散為有限個(gè)相互連接的單元，通過對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行分析，將局部的數(shù)值解組合起來，得到整個(gè)區(qū)域的近似解。在有限元法中，首先對(duì)凍土地基進(jìn)行離散化處理。將凍土地基劃分成眾多小的單元，這些單元可以是三角形、四邊形、四面體等形狀，具體形狀和大小根據(jù)問題的復(fù)雜程度和計(jì)算精度要求進(jìn)行選擇。在劃分單元時(shí)，需要考慮凍土的幾何形狀、材料特性以及邊界條件等因素，以確保單元?jiǎng)澐值暮侠硇院陀行?。例如，在處理形狀?fù)雜的凍土地基時(shí)，可能需要采用不規(guī)則的三角形或四面體單元來更好地?cái)M合地基的形狀；而在凍土材料特性變化較大的區(qū)域，可能需要加密單元，以提高計(jì)算精度。單元離散化后，建立單元的插值函數(shù)。插值函數(shù)用于近似表示單元內(nèi)的溫度和水分等物理量的分布。通常采用多項(xiàng)式插值函數(shù)，如線性插值、二次插值等。以溫度場為例，假設(shè)在某個(gè)單元內(nèi)，溫度分布可以用線性插值函數(shù)表示為T(x,y,z)=a_0+a_1x+a_2y+a_3z，其中x,y,z是單元內(nèi)的空間坐標(biāo)，a_0,a_1,a_2,a_3是插值系數(shù)，這些系數(shù)通過單元節(jié)點(diǎn)上的溫度值來確定。基于插值函數(shù)，根據(jù)水熱耦合的基本方程，如能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程，建立單元的有限元方程。以能量守恒方程\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+\rho_wL\frac{\partial\theta_i}{\partialt}+\rho_wc_w\mathbf{v}\cdot\nablaT為例，將其在單元內(nèi)進(jìn)行積分，并利用插值函數(shù)進(jìn)行離散化處理，得到單元的有限元方程。在這個(gè)過程中，需要對(duì)各項(xiàng)進(jìn)行積分運(yùn)算，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程。例如，對(duì)于熱傳導(dǎo)項(xiàng)\nabla\cdot(k\nablaT)，通過格林公式將其轉(zhuǎn)化為邊界積分形式，再利用插值函數(shù)進(jìn)行離散，得到關(guān)于單元節(jié)點(diǎn)溫度的代數(shù)方程。將各個(gè)單元的有限元方程組裝成整個(gè)凍土地基的總體有限元方程。在組裝過程中，需要考慮單元之間的連接關(guān)系和邊界條件。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的共享情況，將各個(gè)單元的方程進(jìn)行合并，同時(shí)將邊界條件（如給定的溫度邊界、熱流邊界、水分流量邊界等）代入總體方程中。例如，在給定溫度邊界條件的情況下，將邊界節(jié)點(diǎn)的溫度值直接代入總體方程中，作為已知條件；在給定熱流邊界條件的情況下，通過在邊界單元上添加相應(yīng)的熱流項(xiàng)來滿足邊界條件。最后，求解總體有限元方程，得到凍土地基中各節(jié)點(diǎn)的溫度和水分等物理量的數(shù)值解。求解方法有多種，如直接解法（如高斯消去法、LU分解法等）和迭代解法（如雅可比迭代法、高斯-賽德爾迭代法、共軛梯度法等）。直接解法適用于規(guī)模較小的方程組，計(jì)算效率較高；迭代解法適用于大規(guī)模方程組，通過不斷迭代逼近精確解，具有較好的收斂性和穩(wěn)定性。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)方程組的規(guī)模和特點(diǎn)選擇合適的求解方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中，許多學(xué)者利用有限元法對(duì)凍土地基的水熱耦合過程進(jìn)行了深入研究。戚春香等采用有限元模擬方法，建立了多年凍土區(qū)跑道水熱力耦合的地基二維有限元模型。通過該模型，詳細(xì)計(jì)算了30年內(nèi)1月、4月、7月和10月跑道道面結(jié)構(gòu)和地基整體溫度應(yīng)力的分布規(guī)律。研究結(jié)果表明，基于水熱耦合的有限元模擬計(jì)算凍土溫度場的方法是有效的，為多年凍土區(qū)機(jī)場跑道的設(shè)計(jì)和建設(shè)提供了重要的參考依據(jù)。在青藏鐵路工程中，研究人員運(yùn)用有限元法模擬了路基在不同季節(jié)和工況下的水熱耦合過程，分析了溫度場和水分場的變化對(duì)路基穩(wěn)定性的影響，為青藏鐵路的運(yùn)營維護(hù)提供了科學(xué)指導(dǎo)。有限元法能夠準(zhǔn)確地模擬凍土地基水熱耦合過程中的復(fù)雜現(xiàn)象，為工程設(shè)計(jì)和分析提供了有力的工具。4.1.2有限差分法原理與應(yīng)用有限差分法是另一種常用于求解水熱耦合問題的數(shù)值方法，它在凍土地基預(yù)融技術(shù)的研究中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。該方法的基本原理是將水熱耦合方程中的導(dǎo)數(shù)用差商來近似，從而將連續(xù)的偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程進(jìn)行求解。在有限差分法中，首先對(duì)凍土地基的空間和時(shí)間進(jìn)行離散化。將凍土地基在空間上劃分為網(wǎng)格，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的間距根據(jù)計(jì)算精度和問題的復(fù)雜程度確定。例如，在一個(gè)二維的凍土地基模型中，將x方向和y方向分別劃分為\Deltax和\Deltay的間距，形成一系列的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，將時(shí)間劃分為\Deltat的時(shí)間步長。通過這種離散化處理，將連續(xù)的凍土地基轉(zhuǎn)化為離散的網(wǎng)格系統(tǒng)，便于進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。以水熱耦合的能量守恒方程\rhoc\frac{\partialT}{\partialt}=\nabla\cdot(k\nablaT)+\rho_wL\frac{\partial\theta_i}{\partialt}+\rho_wc_w\mathbf{v}\cdot\nablaT為例，說明有限差分法的離散過程。對(duì)于溫度對(duì)時(shí)間的偏導(dǎo)數(shù)\frac{\partialT}{\partialt}，在時(shí)間步n到n+1之間，可以采用向前差分近似，即\frac{\partialT}{\partialt}\approx\frac{T_{i,j}^{n+1}-T_{i,j}^{n}}{\Deltat}，其中T_{i,j}^{n}表示在時(shí)間步n時(shí)，空間位置(i,j)處的溫度值。對(duì)于空間導(dǎo)數(shù)\nabla\cdot(k\nablaT)，以二維情況為例，在x方向上，\frac{\partial}{\partialx}(k\frac{\partialT}{\partialx})可以用中心差分近似，如\frac{\partial}{\partialx}(k\frac{\partialT}{\partialx})\approx\frac{k_{i+\frac{1}{2},j}\frac{T_{i+1,j}-T_{i,j}}{\Deltax}-k_{i-\frac{1}{2},j}\frac{T_{i,j}-T_{i-1,j}}{\Deltax}}{\Deltax}，k_{i+\frac{1}{2},j}和k_{i-\frac{1}{2},j}分別表示在x方向上i節(jié)點(diǎn)左右兩側(cè)的導(dǎo)熱系數(shù)。通過類似的方法對(duì)其他項(xiàng)進(jìn)行離散化處理，得到離散的能量守恒方程。對(duì)于質(zhì)量守恒方程\frac{\partial(\theta_w\rho_w)}{\partialt}=-\nabla\cdot(\rho_w\mathbf{v})+\frac{\partial(\rho_v\theta_v)}{\partialt}，同樣采用差商近似導(dǎo)數(shù)的方法進(jìn)行離散。例如，對(duì)于液態(tài)水通量\rho_w\mathbf{v}的散度\nabla\cdot(\rho_w\mathbf{v})，在二維情況下，可近似為\frac{(\rho_wv_x)_{i+\frac{1}{2},j}-(\rho_wv_x)_{i-\frac{1}{2},j}}{\Deltax}+\frac{(\rho_wv_y)_{i,j+\frac{1}{2}}-(\rho_wv_y)_{i,j-\frac{1}{2}}}{\Deltay}，其中v_x和v_y分別是x方向和y方向上的液態(tài)水流速。將離散后的能量守恒方程和質(zhì)量守恒方程聯(lián)立，得到一個(gè)關(guān)于各節(jié)點(diǎn)溫度和水分含量的代數(shù)方程組。通過迭代求解這個(gè)方程組，可以得到不同時(shí)間步下凍土地基中各節(jié)點(diǎn)的溫度和水分含量的數(shù)值解。在迭代過程中，需要設(shè)置合理的迭代初值和收斂準(zhǔn)則，以確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和收斂性。例如，可以以初始時(shí)刻的溫度和水分含量作為迭代初值，當(dāng)相鄰兩次迭代的計(jì)算結(jié)果之差小于某個(gè)設(shè)定的收斂閾值時(shí)，認(rèn)為迭代收斂，得到最終的數(shù)值解。有限差分法在求解特定問題時(shí)具有顯著的優(yōu)勢。在處理簡單幾何形狀的凍土地基問題時(shí)，有限差分法的網(wǎng)格劃分相對(duì)簡單，計(jì)算效率較高。由于其直接對(duì)偏微分方程進(jìn)行差分離散，物理概念清晰，易于理解和編程實(shí)現(xiàn)。在一些研究中，對(duì)于一維或二維的簡單凍土地基模型，采用有限差分法能夠快速得到準(zhǔn)確的水熱耦合計(jì)算結(jié)果，為工程分析提供了高效的手段。然而，有限差分法也存在一定的局限性。對(duì)于復(fù)雜的幾何形狀和邊界條件，有限差分法的網(wǎng)格劃分可能會(huì)變得困難，難以準(zhǔn)確地?cái)M合邊界形狀，從而影響計(jì)算精度。在處理多物理場耦合問題時(shí)，有限差分法的計(jì)算精度可能不如有限元法等其他數(shù)值方法。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體問題的特點(diǎn)，合理選擇有限差分法或其他數(shù)值方法，以獲得準(zhǔn)確可靠的計(jì)算結(jié)果。4.2實(shí)驗(yàn)研究方法4.2.1室內(nèi)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施為深入研究凍土地基預(yù)融過程中的水熱耦合現(xiàn)象，設(shè)計(jì)并實(shí)施室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，模擬凍土地基的水熱耦合過程。實(shí)驗(yàn)裝置搭建至關(guān)重要。采用高精度的恒溫箱模擬不同的環(huán)境溫度條件，確保溫度控制精度在±0.1℃以內(nèi)，以準(zhǔn)確模擬凍土所處的低溫環(huán)境。在恒溫箱內(nèi)放置圓柱形的凍土試樣容器，容器材質(zhì)選用導(dǎo)熱性能良好的不銹鋼，以保證熱量傳遞的均勻性。在容器內(nèi)部沿高度方向等間距布置多個(gè)高精度溫度傳感器，傳感器精度為±0.05℃，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測凍土試樣不同深度處的溫度變化。在容器底部設(shè)置水分傳感器，用于測量凍土試樣底部的水分含量變化，其測量精度可達(dá)±0.5%。為實(shí)現(xiàn)對(duì)凍土試樣的加熱，采用電加熱絲均勻纏繞在容器外壁，通過調(diào)節(jié)電流大小來控制加熱功率，加熱功率可在0-500W范圍內(nèi)精確調(diào)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)過程中，選擇對(duì)溫度和水分變化敏感的粉質(zhì)黏土作為凍土試樣。將粉質(zhì)黏土按照一定的含水量和密度制備成標(biāo)準(zhǔn)試樣，初始含水量控制在20%-30%之間，密度控制在1.8-2.0g/cm3，以模擬實(shí)際工程中凍土地基的土體特性。對(duì)試樣進(jìn)行初始溫度和水分含量的測量，記錄初始數(shù)據(jù)作為實(shí)驗(yàn)的基準(zhǔn)值。設(shè)置不同的加熱功率和加熱時(shí)間，分別研究其對(duì)水熱耦合過程的影響。例如，設(shè)置加熱功率為100W、200W、300W，加熱時(shí)間為1h、2h、3h，通過改變這些參數(shù)，觀察溫度場和水分場的變化規(guī)律。在加熱過程中，每隔5min記錄一次溫度傳感器和水分傳感器的數(shù)據(jù)，以獲取溫度和水分隨時(shí)間的變化情況。同時(shí)，利用高速攝像機(jī)對(duì)凍土試樣的表面進(jìn)行拍攝，觀察凍土融化過程中的表面形態(tài)變化，如裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展、土體的變形等。實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析。繪制溫度隨時(shí)間和深度變化的曲線，以及水分含量隨時(shí)間和深度變化的曲線，通過這些曲線直觀地展示水熱耦合過程中溫度場和水分場的動(dòng)態(tài)變化。利用數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算溫度和水分變化的速率、梯度等參數(shù)，深入研究水熱耦合的內(nèi)在規(guī)律。對(duì)比不同加熱功率和加熱時(shí)間下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出加熱參數(shù)對(duì)水熱耦合過程的影響規(guī)律，為凍土地基預(yù)融技術(shù)的優(yōu)化提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。4.2.2現(xiàn)場監(jiān)測方法與數(shù)據(jù)采集在實(shí)際工程現(xiàn)場監(jiān)測凍土地基水熱參數(shù)，對(duì)于驗(yàn)證理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果、指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重要意義。在現(xiàn)場監(jiān)測中，采用多種先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備。在凍土地基中埋設(shè)高精度的溫度傳感器，如鉑電阻溫度傳感器，其測量精度可達(dá)±0.1℃，按照一定的網(wǎng)格布置，間距為1-2m，深度方向上每隔0.5m布置一個(gè)，以全面監(jiān)測凍土地基不同位置和深度的溫度變化。同時(shí)，布置時(shí)域反射儀（TDR）來測量土壤的含水量，TDR能夠快速、準(zhǔn)確地測量土壤的體積含水量，測量精度可達(dá)±2%，通過定期讀取TDR的數(shù)據(jù)，獲取凍土地基中水分含量的變化情況。此外，還設(shè)置了氣象站，用于監(jiān)測現(xiàn)場的環(huán)境溫度、濕度、風(fēng)速、太陽輻射等氣象參數(shù)，這些參數(shù)對(duì)于分析凍土地基與外界環(huán)境的熱交換和水分交換至關(guān)重要。數(shù)據(jù)采集過程中，制定嚴(yán)格的數(shù)據(jù)采集計(jì)劃。溫度傳感器和TDR的數(shù)據(jù)采用自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，每30min采集一次數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備中，確保數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。氣象站的數(shù)據(jù)也通過自動(dòng)采集系統(tǒng)進(jìn)行采集，采集頻率為每10min一次，同時(shí)記錄數(shù)據(jù)采集的時(shí)間和環(huán)境條件。在數(shù)據(jù)采集過程中，定期對(duì)監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，確保設(shè)備的正常運(yùn)行和測量精度。例如，每隔一個(gè)月對(duì)溫度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)，檢查其測量準(zhǔn)確性；每隔三個(gè)月對(duì)TDR進(jìn)行維護(hù)，清理傳感器表面的污垢，保證其測量性能。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。在數(shù)據(jù)采集過程中，設(shè)置數(shù)據(jù)異常報(bào)警機(jī)制，當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)超出正常范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，提醒工作人員進(jìn)行檢查和處理。對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和整理，剔除異常數(shù)據(jù)，如由于傳感器故障或外界干擾導(dǎo)致的明顯不合理的數(shù)據(jù)。對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)參數(shù)，評(píng)估數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。將現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證理論模型和數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，為工程設(shè)計(jì)和施工提供可靠的數(shù)據(jù)支持。五、凍土地基預(yù)融技術(shù)的水熱耦合分析實(shí)例5.1某機(jī)場跑道凍土地基預(yù)融項(xiàng)目5.1.1項(xiàng)目背景與地質(zhì)條件該機(jī)場位于高緯度地區(qū)，處于多年凍土區(qū)，年平均氣溫在-5℃至-10℃之間。機(jī)場跑道建設(shè)區(qū)域的凍土分布廣泛，且凍土類型復(fù)雜，主要包括粉質(zhì)黏土、砂土等不同類型的凍土。凍土的含冰量較高，部分區(qū)域的含冰量達(dá)到30%-50%，這使得凍土地基的穩(wěn)定性成為機(jī)場跑道建設(shè)的關(guān)鍵問題。如果在建設(shè)過程中不進(jìn)行合理的處理，跑道在運(yùn)營過程中可能會(huì)因凍脹和融沉而出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，影響飛機(jī)的起降安全。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，跑道建設(shè)區(qū)域的凍土上限在1.5-2.5m之間，下限在10-15m之間。凍土的物理力學(xué)性質(zhì)存在明顯的空間差異，不同深度和位置的凍土在導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、滲透率等參數(shù)上有所不同。例如，上層粉質(zhì)黏土的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，約為1.5-2.0W/(m?K)，這意味著熱量在該層土中的傳遞速度較慢；而下層砂土的導(dǎo)熱系數(shù)較高，可達(dá)2.5-3.0W/(m?K)，熱量傳遞相對(duì)較快。這種物理力學(xué)性質(zhì)的差異會(huì)對(duì)預(yù)融過程中的水熱耦合產(chǎn)生重要影響，需要在預(yù)融技術(shù)的選擇和設(shè)計(jì)中予以充分考慮。5.1.2水熱耦合分析過程在該項(xiàng)目中，采用數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法對(duì)凍土地基預(yù)融過程進(jìn)行水熱耦合分析。數(shù)值模擬方面，運(yùn)用有限元軟件COMSOLMultiphysics建立凍土地基的二維模型。模型考慮了凍土的非線性特性、水分相變以及熱傳導(dǎo)和對(duì)流等因素。將跑道建設(shè)區(qū)域劃分為多個(gè)有限元單元，每個(gè)單元的尺寸根據(jù)計(jì)算精度和模型復(fù)雜程度確定，在關(guān)鍵區(qū)域如跑道下方和凍土上限附近，單元尺寸加密至0.1-0.2m，以提高計(jì)算精度。在模型中，定義邊界條件為：頂部邊界為與大氣的熱交換邊界，考慮太陽輻射、大氣對(duì)流和蒸發(fā)等因素；底部邊界為恒溫邊界，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，設(shè)定為多年凍土的年平均地溫，約為-8℃；側(cè)面邊界為絕熱邊界，以模擬無限遠(yuǎn)處的熱條件。初始條件設(shè)定為凍土的初始溫度場和水分場，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，初始溫度在-5℃至-10℃之間，初始含水量在15%-30%之間。通過數(shù)值模擬，計(jì)算不同預(yù)融方案下凍土地基的溫度場和水分場隨時(shí)間的變化。模擬不同加熱功率（100-500W/m2）和加熱時(shí)間（1-3個(gè)月）的情況，分析加熱參數(shù)對(duì)水熱耦合的影響。在加熱功率為200W/m2，加熱時(shí)間為2個(gè)月時(shí)，跑道下方1-5m深度范圍內(nèi)的凍土溫度逐漸升高，在加熱1個(gè)月后，溫度升高到-2℃至-3℃之間，部分區(qū)域的冰開始融化；在加熱2個(gè)月后，該區(qū)域的溫度進(jìn)一步升高到0℃以上，大部分冰融化，水分開始重新分布。實(shí)驗(yàn)研究方面，在現(xiàn)場選取典型區(qū)域進(jìn)行凍土試樣采集，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行凍土水熱耦合實(shí)驗(yàn)。采用與數(shù)值模擬相同的邊界條件和初始條件，通過控制加熱功率和時(shí)間，監(jiān)測凍土試樣的溫度和水分變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，兩者在溫度和水分變化趨勢上基本一致，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的準(zhǔn)確性。5.1.3分析結(jié)果與工程應(yīng)用通過水熱耦合分析，得到了不同預(yù)融方案下凍土地基的溫度場和水分場分布規(guī)律。結(jié)果表明，加熱功率和加熱時(shí)間對(duì)預(yù)融效果有顯著影響。隨著加熱功率的增加，凍土的融化速度加快，但過高的加熱功率可能導(dǎo)致局部過熱，引起水分快速蒸發(fā)和土體干裂。加熱時(shí)間過短，凍土融化不充分，無法滿足工程要求；加熱時(shí)間過長，則會(huì)增加工程成本和施工周期。根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化預(yù)融方案。在該機(jī)場跑道項(xiàng)目中，最終確定采用加熱功率為300W/m2，加熱時(shí)間為1.5個(gè)月的預(yù)融方案。在預(yù)融過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度場和水分場的變化，及時(shí)調(diào)整加熱參數(shù)，確保凍土均勻融化，避免出現(xiàn)局部過熱和水分積聚等問題。經(jīng)過預(yù)融處理后，機(jī)場跑道地基的穩(wěn)定性得到了有效保障。在后續(xù)的跑道建設(shè)和運(yùn)營過程中，對(duì)跑道的變形進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，跑道的不均勻沉降量控制在5mm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，證明了基于水熱耦合分析的預(yù)融方案的有效性和可靠性。該項(xiàng)目的成功實(shí)施為其他凍土地基工程的預(yù)融技術(shù)應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考。5.2某高層建筑凍土地基預(yù)融工程5.2.1工程概況與需求該高層建筑位于高海拔的凍土區(qū)域，建筑高度達(dá)150m，地下3層，地上35層，采用框架-核心筒結(jié)構(gòu)體系。場地凍土類型主要為粉質(zhì)黏土，凍土上限在1.8-2.2m之間，下限約為12m，年平均地溫約為-3℃。由于建筑的高度和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)地基的承載能力和穩(wěn)定性要求極高。凍土地基在自然狀態(tài)下，其強(qiáng)度和變形特性隨季節(jié)變化明顯，冬季凍脹和夏季融沉的現(xiàn)象可能導(dǎo)致地基不均勻沉降，從而威脅建筑物的結(jié)構(gòu)安全。因此，為了確保高層建筑在全生命周期內(nèi)的穩(wěn)定性，必須對(duì)凍土地基進(jìn)行預(yù)融處理，使其滿足建筑地基的設(shè)計(jì)要求。5.2.2水熱耦合模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立該高層建筑凍土地基的三維水熱耦合模型。模型考慮了凍土的非線性熱物理性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容隨溫度和水分含量的變化，以及水分相變潛熱對(duì)熱量傳遞的影響。在模型中，定義邊界條件為：頂部邊界與大氣進(jìn)行熱交換，考慮太陽輻射、大氣對(duì)流和蒸發(fā)作用；底部邊界為恒溫邊界，根據(jù)地質(zhì)勘察資料設(shè)定為多年凍土下限的穩(wěn)定溫度；側(cè)面邊界為絕熱邊界，以模擬無限遠(yuǎn)處的熱條件。初始條件根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)確定，包括凍土的初始溫度場和水分場。通過數(shù)值模擬，分析不同預(yù)融方案下凍土地基的溫度場和水分場變化。模擬結(jié)果顯示，在采用電加熱預(yù)融方案，加熱功率為400W/m2，加熱時(shí)間為2個(gè)月時(shí)，地基中凍土溫度逐漸升高，在加熱1個(gè)月后，地基深度0-6m范圍內(nèi)的溫度升高到-1℃至-2℃之間，部分冰開始融化；加熱2個(gè)月后，該區(qū)域溫度基本升高到0℃以上，凍土融化較為充分，水分重新分布較為均勻。為了驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場選取典型區(qū)域進(jìn)行凍土試樣采集，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行凍土水熱耦合實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置模擬現(xiàn)場的邊界條件和初始條件，通過電加熱元件對(duì)凍土試樣進(jìn)行加熱，同時(shí)監(jiān)測試樣的溫度和水分變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同加熱條件下，凍土試樣的溫度和水分變化趨勢與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致。例如，在加熱1個(gè)月時(shí)，實(shí)驗(yàn)測得試樣的溫度升高范圍與模擬結(jié)果相差在0.5℃以內(nèi)，水分含量的變化趨勢也相符，驗(yàn)證了數(shù)值模擬模型的可靠性。5.2.3基于分析的工程決策與效果評(píng)估根據(jù)水熱耦合模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果，確定該高層建筑凍土地基的預(yù)融方案為：采用電加熱預(yù)融技術(shù)，加熱功率設(shè)定為400W/m2，加熱時(shí)間為2個(gè)月。在預(yù)融過程中，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測溫度場和水分場的變化，對(duì)加熱參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，確保凍土均勻融化，避免出現(xiàn)局部過熱和水分積聚等問題。預(yù)融處理完成后，對(duì)地基的穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。通過現(xiàn)場原位測試，如平板載荷試驗(yàn)和靜力觸探試驗(yàn)，測定地基的承載力和變形模量。測試結(jié)果表明，預(yù)融后的地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，變形模量明顯提高，地基的均勻性得到顯著改善。在高層建筑施工和運(yùn)營過程中，對(duì)建筑物的沉降進(jìn)行長期監(jiān)測。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，建筑物的沉降量在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，且沉降速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定，不均勻沉降得到有效控制，證明了基于水熱耦合分析的預(yù)融方案能夠有效提高凍土地基的穩(wěn)定性，保障高層建筑的安全。六、水熱耦合分析結(jié)果的影響因素與優(yōu)化策略6.1影響水熱耦合分析結(jié)果的因素6.1.1凍土特性的影響凍土的初始溫度、含水率、干密度等特性對(duì)水熱耦合過程有著顯著的影響。初始溫度是決定凍土熱狀態(tài)的關(guān)鍵因素之一，對(duì)水熱耦合過程的起始條件起著重要作用。當(dāng)凍土的初始溫度較低時(shí)，預(yù)融過程中需要輸入更多的熱量來升高其溫度，使凍土中的冰發(fā)生融化。這意味著在相同的加熱條件下，初始溫度低的凍土達(dá)到預(yù)定融化狀態(tài)所需的時(shí)間更長。例如，在某一凍土地基預(yù)融工程中，初始溫度為-10℃的凍土區(qū)域，在采用相同加熱功率（200W/m2）和加熱時(shí)間（1個(gè)月）的情況下，與初始溫度為-5℃的區(qū)域相比，其溫度升高幅度較小，融化程度較低。初始溫度還會(huì)影響水分遷移的驅(qū)動(dòng)力。較低的初始溫度會(huì)導(dǎo)致凍土中水分的化學(xué)勢降低，使得水分遷移的趨勢減弱。在凍結(jié)過程中，溫度梯度是水分遷移的重要驅(qū)動(dòng)力之一，初始溫度越低，溫度梯度越大，水分向凍結(jié)鋒面遷移的趨勢就越強(qiáng)，可能導(dǎo)致凍結(jié)鋒面附近的含水量增加，進(jìn)而影響凍土的凍脹和融沉特性。含水率是影響水熱耦合過程的另一個(gè)重要因素。凍土中的水分含量直接關(guān)系到相變潛熱的大小，進(jìn)而影響熱量傳遞和溫度變化。當(dāng)凍土含水率較高時(shí)，其中的冰含量也相對(duì)較高，在融化過程中需要吸收更多的相變潛熱。這使得在預(yù)融過程中，相同的熱量輸入下，含水率高的凍土溫度升高速度較慢。在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置兩組相同條件的凍土試樣，一組含水率為30%，另一組含水率為20%，在相同的加熱條件下，含水率為30%的試樣溫度升高速度比含水率為20%的試樣慢約30%。含水率還會(huì)影響水分遷移的方式和速率。較高的含水率意味著土體中存在更多的液態(tài)水，液態(tài)水的滲流在水分遷移中占據(jù)主導(dǎo)地位。而液態(tài)水的滲流速度與土體的孔隙結(jié)構(gòu)、滲透率等因素密切相關(guān)。當(dāng)含水率較高時(shí)，土體的飽和度增加，孔隙水壓力增大，可能導(dǎo)致水分滲流速度加快，從而影響水分在土體中的分布和水熱耦合過程。干密度反映了土體中固體顆粒的緊密程度，對(duì)凍土的熱物理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)都有影響，進(jìn)而影響水熱耦合過程。干密度較大的凍土，其固體顆粒排列緊密，孔隙較小。這使得凍土的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大，因?yàn)楣腆w顆粒的導(dǎo)熱性能通常優(yōu)于孔隙中的空氣和水分。在熱傳導(dǎo)過程中，導(dǎo)熱系數(shù)大的凍土能夠更快速地傳遞熱量，使得溫度變化在土體中傳播得更快。在一個(gè)數(shù)值模擬中，對(duì)于干密度分別為1.8g/cm3和1.6g/cm3的凍土模型，在相同的加熱邊界條件下，干密度為1.8g/cm3的模型中溫度升高的速度比干密度為1.6g/cm3的模型快約20%。干密度還會(huì)影響土體的力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響水分遷移。干密度大的土體，其強(qiáng)度較高，孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，水分遷移時(shí)受到的阻力相對(duì)較小。相反，干密度小的土體，其孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)疏松，水分遷移時(shí)可能會(huì)受到更多的阻礙，導(dǎo)致水分遷移速率降低，從而影響水熱耦合過程中水分場的變化。6.1.2預(yù)融技術(shù)參數(shù)的影響預(yù)融溫度、加熱時(shí)間、加熱功率等預(yù)融技術(shù)參數(shù)對(duì)水熱耦合分析結(jié)果起著關(guān)鍵作用。預(yù)融溫度是決定凍土融化程度和水熱耦合過程的核心參數(shù)之一。較高的預(yù)融溫度能夠加快凍土的融化速度，使凍土中的冰迅速轉(zhuǎn)化為液態(tài)水。在蒸汽預(yù)融技術(shù)中，提高蒸汽的溫度可以顯著增加熱傳遞速率，促使凍土更快地達(dá)到融化狀態(tài)。當(dāng)蒸汽溫度從100℃提高到120℃時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)凍土的融化深度增加了約30%。然而，過高的預(yù)融溫度可能會(huì)帶來一些負(fù)面影響。過高的溫度可能導(dǎo)致凍土中的水分迅速蒸發(fā)，造成土體干裂，破壞土體的結(jié)構(gòu)。在電加熱預(yù)融過程中，如果加熱溫度過高，可能會(huì)使凍土局部過熱，導(dǎo)致水分快速散失，形成干縮裂縫，影響地基的穩(wěn)定性。預(yù)融溫度還會(huì)影響水分遷移的方向和速率。溫度的變化會(huì)改變水分的化學(xué)勢，從而影響水分的遷移驅(qū)動(dòng)力。較高的預(yù)融溫度會(huì)使水分向溫度較低的區(qū)域遷移，可能導(dǎo)致水分在土體中的不均勻分布，進(jìn)而影響水熱耦合過程的均勻性。加熱時(shí)間對(duì)水熱耦合過程的影響主要體現(xiàn)在凍土的融化程度和水分遷移的充分程度上。隨著加熱時(shí)間的延長，凍土吸收的熱量逐漸增加，融化程度不斷加深。在某一凍土地基預(yù)融工程中，采用電加熱預(yù)融技術(shù)，加熱功率為300W/m2，在加熱1個(gè)月時(shí)，凍土的融化深度為2m；加熱2個(gè)月時(shí)，融化深度增加到3.5m。加熱時(shí)間還會(huì)影響水分在土體中的遷移和重新分布。長時(shí)間的加熱使得水分有足夠的時(shí)間在溫度梯度和壓力梯度的作用下進(jìn)行遷移，從而改變土體的含水量分布。如果加熱時(shí)間過短，凍土融化不充分，水分遷移也不充分，可能導(dǎo)致地基處理效果不理想。在一些工程中，由于加熱時(shí)間不足，凍土中仍存在大量未融化的冰，在后續(xù)工程使用過程中，這些冰融化可能會(huì)導(dǎo)致地基不均勻沉降。加熱功率直接決定了單位時(shí)間內(nèi)輸入到凍土地基中的熱量，對(duì)水熱耦合過程的影響顯著。較高的加熱功率能夠在短時(shí)間內(nèi)提供大量的熱量，加速凍土的融化過程。在某室內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，分別設(shè)置加熱功率為100W、200W和300W對(duì)凍土試樣進(jìn)行加熱，結(jié)果顯示，加熱功率為300W時(shí)，試樣在相同時(shí)間內(nèi)的溫度升高幅度比100W時(shí)高出約2倍，融化速度明顯加快。然而，過高的加熱功率也可能帶來一些問題。過高的加熱功率可能導(dǎo)致局部過熱，使得凍土中的水分快速蒸發(fā)，形成局部干燥區(qū)域，影響地基的均勻性。同時(shí)，過高的加熱功率還會(huì)增加能源消耗和工程成本。在實(shí)際工程中，需要根據(jù)凍土的特性和工程要求，合理選擇加熱功率，以達(dá)到最佳的預(yù)融效果和經(jīng)濟(jì)效益。6.1.3環(huán)境條件的影響環(huán)境溫度、濕度、降水等條件對(duì)凍土地基水熱耦合過程有著重要影響。環(huán)境溫度是影響凍土地基水熱耦合過程的重要外部因素之一。當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，凍土地基與外界環(huán)境之間存在較大的溫度差，這會(huì)導(dǎo)致地基中的熱量向外界散失，從而減緩凍土的預(yù)融速度。在冬季，環(huán)境溫度可能會(huì)降至-20℃以下，此時(shí)對(duì)凍土地基進(jìn)行預(yù)融，需要額外補(bǔ)充更多的熱量來克服熱量散失，才能達(dá)到預(yù)期的預(yù)融效果。相反，在夏季，環(huán)境溫度較高，凍土地基與外界環(huán)境的溫度差較小，熱量散失相對(duì)較少，預(yù)融過程相對(duì)容易進(jìn)行。環(huán)境溫度的變化還會(huì)影響水分遷移的方向和速率。在低溫環(huán)境下，水分可能會(huì)向溫度較高的凍土地基內(nèi)部遷移，而在高溫環(huán)境下，水分則可能向溫度較低的外界環(huán)境遷移。這種水分遷移方向的變化會(huì)影響凍土的含水量分布和水熱耦合過程。濕度是環(huán)境條件中的另一個(gè)重要因素，對(duì)凍土地基的水熱耦合過程產(chǎn)生影響。較高的環(huán)境濕度意味著空氣中含有較多的水汽，這會(huì)影響凍土表面與外界環(huán)境之間的水汽交換。當(dāng)環(huán)境濕度較大時(shí)，凍土表面更容易吸收空氣中的水汽，導(dǎo)致凍土含水量增加。在某地區(qū)的實(shí)際工程中，在濕度較高的雨季進(jìn)行凍土地基預(yù)融時(shí)，發(fā)現(xiàn)凍土的含水量明顯增加，這會(huì)改變凍土的熱物理性質(zhì)，進(jìn)而影響水熱耦合過程。濕度還會(huì)影響水分蒸發(fā)和凝結(jié)過程。在高濕度環(huán)境下，水分蒸發(fā)受到抑制，而在低濕度環(huán)境下，水分蒸發(fā)速度加快。水分蒸發(fā)和凝結(jié)過程會(huì)吸收或釋放熱量，從而影響凍土地基的溫度場和水分場。降水對(duì)凍土地基水熱耦合過程的影響主要體現(xiàn)在水分補(bǔ)給和熱量傳遞方面。降水會(huì)直接增加凍土地基的含水量，改變土體的飽和度和孔隙水壓力。在降水較多的地區(qū)，大量的雨水滲入凍土地基，使得地基中的水分含量迅速增加。在某一凍土地基工程中，在降水后，地基中的含水量增加了約20%，這會(huì)導(dǎo)致水分遷移和熱量傳遞過程發(fā)生變化。降水還會(huì)影響地基的溫度場。雨水的溫度通常與環(huán)境溫度相近，當(dāng)雨水滲入地基時(shí)，會(huì)帶入一定的熱量，從而改變地基的溫度分布。在夏季，溫暖的雨水滲入凍土地基可能會(huì)加速凍土的融化，而在冬季，寒冷的雨水則可能導(dǎo)致地基溫度進(jìn)一步降低，影響預(yù)融效果。6.2基于水熱耦合分析的預(yù)融技術(shù)優(yōu)化策略6.2.1預(yù)融方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)根據(jù)水熱耦合分析結(jié)果，對(duì)預(yù)融技術(shù)參數(shù)進(jìn)行合理調(diào)整，是優(yōu)化預(yù)融方案的關(guān)鍵步驟。在調(diào)整過程中，需綜合考慮凍土特性、工程要求以及環(huán)境條件等多方面因素。針對(duì)不同的凍土特性，應(yīng)采取不同的預(yù)融技術(shù)參數(shù)調(diào)整策略。對(duì)于初始溫度較低的凍土，為了確保其能夠充分融化，需要適當(dāng)提高預(yù)融溫度和增加加熱時(shí)間。在某寒區(qū)工程中，當(dāng)凍土初始溫度為-12℃時(shí)，將預(yù)融溫度從10℃提高到15℃，加熱時(shí)間從1個(gè)月延長至1.5個(gè)月，凍土的融化深度和融化均勻性得到了顯著改善。對(duì)于含水率較高的凍土，由于水分相變潛熱的影響，其融化過程較為復(fù)雜。此時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低加熱功率，以避免水分快速蒸發(fā)導(dǎo)致土體干裂。在實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于含水率為35%的凍土試樣，將加熱功率從300W降低至200W，加熱過程中土體的干裂現(xiàn)象明顯減少，水分分布更加均勻。工程要求也是調(diào)整預(yù)融技術(shù)參數(shù)的重要依據(jù)。如果工程對(duì)地基的承載能力要求較高，需要確保凍土充分融化且地基土體的物理力學(xué)性質(zhì)得到有效改善。在這種情況下，可能需要適當(dāng)增加加熱功率和延長加熱時(shí)間，以提高凍土的融化程度和均勻性。在某高層建筑工程中，為了滿足地基承載能力的要求，將加熱功率從250W/m2提高到350W/m2，加熱時(shí)間從1.5個(gè)月延長至2個(gè)月，地基的承載能力得到了顯著提升，滿足了工程設(shè)計(jì)要求。如果工程對(duì)施工周期有嚴(yán)格限制，需要在保證預(yù)融效果的前提下，盡可能縮短加熱時(shí)間。這就需要通過優(yōu)化加熱方式和提高加熱效率來實(shí)現(xiàn)。例如，采用新型的加熱設(shè)備或改進(jìn)加熱工藝，提高單位時(shí)間內(nèi)的熱量傳遞效率，從而在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)融目標(biāo)。環(huán)境條件對(duì)預(yù)融技術(shù)參數(shù)的調(diào)整也不容忽視。在寒冷的環(huán)境中，由于熱量散失較快，需要適當(dāng)提高加熱功率和增加保溫措施，以補(bǔ)償熱量損失。在某地區(qū)冬季進(jìn)行凍土地基預(yù)融時(shí)，環(huán)境溫度低至-25℃，通過將加熱功率提高30%，并在地基表面鋪設(shè)保溫材料，有效地保證了預(yù)融效果。相反，在炎熱的環(huán)境中，應(yīng)避免加熱功率過高導(dǎo)致局部過熱，可適當(dāng)降低加熱功率，并加強(qiáng)通風(fēng)散熱措施。除了調(diào)整預(yù)融技術(shù)參數(shù)，還可以考慮采用復(fù)合預(yù)融技術(shù)，將多種預(yù)融方法結(jié)合起來，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，以達(dá)到更好的預(yù)融效果。例如，將蒸汽預(yù)融和電加熱預(yù)融相結(jié)合，先利用蒸汽預(yù)融快速提高凍土的整體溫度，使大部分冰融化，然后再利用電加熱預(yù)融對(duì)局部未充分融化的區(qū)域進(jìn)行精確加熱，確保凍土融化的均勻性。在某工程中，采用這種復(fù)合預(yù)融技術(shù)后，凍土的融化均勻性提高了20%，地基的穩(wěn)定性得到了顯著增強(qiáng)。6.2.2施工過程的控制與監(jiān)測在施工過程中，嚴(yán)格控制預(yù)融過程是確保預(yù)融效果和工程質(zhì)量的關(guān)鍵。這需要從多個(gè)方面入手，采取有效的控制措施。首先，要對(duì)加熱設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格管理和維護(hù)，確保其正常運(yùn)行和加熱參數(shù)的穩(wěn)定性。定期檢查加熱設(shè)備的性能，如蒸汽鍋爐的壓力穩(wěn)定性、電加熱設(shè)備的功率輸出穩(wěn)定性等。對(duì)于蒸汽預(yù)融設(shè)備，要檢查蒸汽管道是否存在泄漏，閥門是否正常工作，以保證蒸汽能夠均勻地輸送到凍土地基中。對(duì)于電加熱設(shè)備，要檢查電極的連接是否牢固，電纜是否存在破損，防止因設(shè)備故障導(dǎo)致加熱不均勻或加熱中斷。在某工程中，由于蒸汽管道出現(xiàn)泄漏，導(dǎo)致部分區(qū)域的凍土加熱不足，融化不均勻，影響了工程質(zhì)量。因此，加強(qiáng)加熱設(shè)備的管理和維護(hù)至關(guān)重要。其次，合理安排加熱順序和加熱區(qū)域，避免出現(xiàn)局部過熱或加熱不足的情況。根據(jù)凍土地基的形狀、大小以及凍土特性的分布情況，制定科學(xué)的加熱順序。在大型凍土地基中，可以采用分區(qū)加熱的方式，從地基的中心區(qū)域開始向周邊逐漸加熱，確保熱量能夠均勻地傳遞到整個(gè)地基中。同時(shí)，要注意不同加熱區(qū)域之間的銜接，避免出現(xiàn)溫度差異過大的情況。在某機(jī)場跑道凍土地基預(yù)融工程中，采用了分區(qū)加熱的方法，將跑道地基劃分為多個(gè)區(qū)域，按照一定的順序依次進(jìn)行加熱，有效地保證了凍土融化的均勻性。實(shí)時(shí)監(jiān)測水熱參數(shù)是施工過程控制的重要環(huán)節(jié)。通過在凍土地基中布置溫度傳感器和水分傳感器，實(shí)時(shí)獲取溫度場和水分場的變化數(shù)