《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：A method for analysis of soil segregation frost heave
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冻结土中的冰分凝是导致冻胀的主要机制，最终可能引发地基失稳和路面劣化。该过程涉及复杂的热-水-力耦合，然而捕捉分凝冻胀（SFH）全过程演化的定量实验数据仍然有限。为弥补这一不足，研究人员对粉质黏土（初始孔隙比为0.695）开展了一维冻结试验，采用集成式实时监
冻结土中的冰分凝是导致冻胀的主要机制，最终可能引发地基失稳和路面劣化。该过程涉及复杂的热-水-力耦合，然而捕捉分凝冻胀（SFH）全过程演化的定量实验数据仍然有限。为弥补这一不足，研究人员对粉质黏土（初始孔隙比为0.695）开展了一维冻结试验，采用集成式实时监测系统连续记录温度、冰含量、变形和吸水量。基于该试验，开展了以下工作：(1) 提出了一种计算方法，基于热力学平衡和热通量分析，由实测温度场计算冰含量的时空演化。采用该方法进一步计算得到的总含水量与试验后烘干法测量结果吻合良好，平均误差约为5%。(2) 建立了SFH模型，将冻胀启动和分凝裂缝启动与两个临界冰饱和度阈值相关联，并采用冻胀变形与冰含量之间的近似线性关系进行描述。此外，在试验条件下针对试验土体获得了以下试验结果：(i) SFH呈现三种不同的演化状态，即瞬态（0–12 h）、准稳态（12–890 h）和稳态（890–2400 h）；(ii) 当吸水速度降至5 × 10-10–9 × 10-10 m/s量级时，无肉眼可见裂缝扩展，仅观察到内部冰积聚。
### 论文解读文章
#### 一、研究背景与科学问题
冻土中的冰分凝现象广泛存在于寒冷地区，是导致冻胀地质灾害和工程病害的主要机制。当土体在温度梯度作用下，未冻水向冻结锋面迁移、积聚并发生相变成冰，形成分凝冰透镜体，进而破坏土体结构并引起体积膨胀。由此产生的冻胀可导致路面隆起、路基变形、管道上抬等工程问题，对寒区岩土工程建设与运营安全构成严重威胁。
尽管分凝冻胀问题已受到长期关注，学术界先后提出了冻结缘理论、刚性冰模型和分凝势理论等经典理论框架，这些模型成功解释了温度梯度下冰透镜体的萌生和水迁移机制。然而，现有模型大多以温度分布为主要控制变量，冰积聚过程仅通过经验参数隐式引入，缺乏对试验实测冰含量的直接耦合。此外，控制冰透镜体生长和变形发展速率的水迁移速度，通常通过间接方法推断，而非由实时测量直接约束。这一局限显著制约了分凝模型对物理机制的解释能力和预测精度。与此同时，传统试验测量手段存在诸多不足：离散温度传感器仅能提供截面数据，难以捕捉冻结锋面附近的局部热信息；冰含量通常通过试验后烘干法测定，无法反映冻结过程中的时间演化特征。因此，冰积聚、吸水量与冻胀变形之间的动态关系尚未得到充分量化。
近年来，红外热成像、数字图像相关（DIC）技术、瞬态热脉冲冰含量传感器和液态水传感器等先进监测技术相继发展，单项技术可行性已得到验证。然而，这些观测手段很少被整合到统一建模框架中，以实现实测冰含量和水迁移速度与分凝冻胀的显式耦合。为填补这一研究空白，研究人员开展了本项研究。
#### 二、研究方法概述
研究人员设计并实施了一维土柱冻结试验，试验土样为采自中国青海省的粉质黏土（初始孔隙比e
0 = 0.695），属于中国寒区广泛分布的冻胀敏感土。试验前对土样进行了去离子水冲洗、烘干、粉碎和筛分预处理，以消除盐分影响。试验采用自主集成的四模块实时监测系统：(1) 基于数字图像相关（DIC）的变形监测模块，采用黑白石英砂作为示踪粒子，通过GeoPIV-RG算法分析位移场，量化冻胀变形和局部应变；(2) 基于校正红外热成像（CIRT）的温度监测模块，利用热电偶校准红外图像，实现全截面温度场的高精度测量；(3) 基于反演代理模型（IASM）的冰含量监测模块，采用蒙特卡洛抽样生成土壤参数组合并开展大量数值模拟构建训练数据集，训练反向传播（BP）神经网络建立温度响应曲线（TRC）与体积冰含量之间的映射关系；(4) 热-水边界条件监测模块（THBM），通过马氏瓶在底部提供0 kPa供水条件，电子天平连续记录质量变化以确定吸水量和吸水速度，上边界保持密封。试验上边界温度设定为?10 °C，下边界为10 °C，试验持续100 d以上，直至各监测变量完全稳定。此外，研究人员还建立了基于能量守恒的热通量分析方法，从实测温度场出发，通过热通量散度计算增量冰含量的时空演化，并结合土体冻结特征曲线（SFCC）和土-水特征曲线（SWCC）计算冻结区和未冻区的水分分布。
#### 三、主要研究结果
**1. 分凝冻胀过程的三种特征状态**
基于实时监测数据，研究人员将粉质黏土柱的分凝冻结过程划分为三个特征状态：（i）瞬态（0–12 h）：冻结锋面快速向下推进，所有监测截面温度显著下降，冻胀以原位冻胀为主，底部吸水主要用于补偿未冻区的水分亏缺。（ii）准稳态（12–890 h）：温度场趋于稳定，冻结锋面基本保持静止，吸水速度逐渐减小。初始分凝裂缝在t = 40 h出现，t = 65 h时裂缝贯穿整个冻结区，随后裂缝持续扩展，t = 890 h时裂缝停止增长，最大缝宽达12.45 mm。（iii）稳态（890–2400 h）：温度场、冻结区冰含量、应变分布和裂缝形态均保持稳定，但裂缝内仍存在缓慢的水分迁移，吸水速度约为5 × 10
-10–9 × 10
-10 m/s，该残余水通量导致裂缝内分凝冰持续积聚直至完全填充。
**2. 冰含量时空演化计算方法**
研究人员基于热力学平衡和热通量分析，建立了由实测温度场计算冰含量时空演化的方法。热通量梯度（?q）的峰值位置与实测冻结锋面位置具有极好的一致性，验证了该方法在物理上的一致性。以?q作为相变强度的指示指标，其峰值对应于冰含量增长率最大值所在位置。采用该方法计算的最终总含水量与试验后烘干法测定结果吻合良好，平均误差约为5%。水分平衡分析显示，冻结区约增水190 cm3，未冻区增水107–130 cm3，裂缝累积水量105 cm3，上部冰透镜体含水量约12 cm3，最终总吸水量约399 cm3。
**3. SFH模型的建立**
研究人员建立了分凝冻胀模型，以孔隙扩张比λ表征冻胀变形与冰含量增加之间的关系，并识别出两个冰饱和度临界阈值：冻胀启动冰饱和度（HIS，
θi
his ≈ 0.34）和分凝裂缝启动冰饱和度（CIS，
θi
cis ≈ 0.71）。当冰饱和度低于HIS时，新形成的冰主要填充既有孔隙，不引起体积膨胀；当冰饱和度超过HIS后，冰晶生长开始扰动土体结构并产生宏观变形，孔隙扩张比与冰含量增加呈近似线性关系（λ ≈ 1.7）；当冰饱和度达到CIS时，冰生长引起的应力超过土骨架的结构强度，分凝裂缝开始形成。该模型的参数并非普适常数，而是依赖于土体结构、孔隙比和应力状态。
**4. 冻胀应变分布特征**
试验结束时，总冻胀变形达16.58 mm，其中冻结区冻胀贡献4.13 mm，分凝裂缝扩展贡献12.45 mm，约占总变形的75%。冻结区冻胀占比较低的原因在于土柱初始干密度较低（1.6 g/cm3，初始孔隙比约0.695），松散结构减弱了孔隙冰形成的体积膨胀效应。此外，冻结区冻胀压缩了下方未冻区，造成约2 mm变形，将其平均孔隙比从0.695减小至约0.56。
#### 四、讨论与结论
研究人员指出，传统的分凝冻胀模型主要依赖温度作为控制变量，冰积聚通过经验参数隐式引入，缺乏实测冰含量的直接约束。本研究通过引入冰含量作为显式参数，将实测冰含量直接纳入SFH模型，并采用冰饱和度的阈值效应描述冻胀和裂缝的启动条件，显著增强了模型的物理可解释性。研究同时指出了一个重要现象：当吸水速度降至5 × 10
-10–9 × 10
-10 m/s时，即使裂缝不再扩展，内部冰透镜仍持续缓慢生长，该残余吸水速度对工程设计中的冻胀控制具有参考价值。
研究结论可总结为以下三点：(1) 所建立的实验系统实现了温度、体积冰含量、冻胀变形和吸水量的实时监测，提供了冻结过程中完整的耦合热-水-力数据；(2) 基于热-水相变平衡发展了体积冰含量时空演化计算方法，计算总含水量与烘干法实测结果平均误差约5%；(3) 所建立的SFH模型关联了土体孔隙比增量与体积冰含量增加，并纳入冰饱和度阈值效应，结果表明当冰饱和度达到HIS时冻胀启动，随后冻胀变形随冰积聚近似线性增加。该研究论文发表于《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》。
