引言
冻胀[1]是指土壤在冻结过程中，由于水分的冻结膨胀而引起的土体体积变化。冻胀的原因是由于土壤中的水分在冻结过程中，由于水分的冻结膨胀而引起的土体体积变化。研究冻胀过程中的水分迁移可以帮助我们更好地理解冻胀现象的成因和机理。同时，这种研究还可以为我们提供更好的方法和技术来预测和控制冻胀现象，从而更好地保护土地和建筑物。
1冻胀过程中水分迁移机理
土在冻胀过程中水分迁移机理是一个复杂的问题，目前有许多学者各自提出自己的理论或假说多达14种[2]。其中，主要有毛细管作用理论、薄膜水理论、吸附-薄膜理论等。毛细管作用理论认为水在毛细管力作用下，沿着土体中裂隙和冻土中的孔隙所形成的毛细管向冻结锋面迁移；薄膜水理论认为细颗粒土壤中，水的迁移以薄膜水运动为主，对冻土和融土都适用；吸附-薄膜理论把吸附力和薄膜水迁移理论结合起来，水分从水分子较活跃、水化膜较厚处向水分子较稳定、水化膜较薄处移动等。
2水分的迁移规律
在冻胀过程中，土壤中的水分会受到低温的影响而冻结成冰，从而引起土壤的膨胀。与此同时，土壤中的水分也会发生迁移，形成冰层和非冰层的分布[3]。
在冻胀过程中，土壤中的水分迁移规律与土壤的温度和水分含量密切相关。当土壤含水率较高时，土壤中的水分迁移速度较慢，而当土壤含水率较低时，土壤中的水分迁移速度会加快。此外，土壤中不同类型的颗粒也会影响水分的迁移规律，粗颗粒土壤中的水分迁移速度较快，细颗粒土壤中的水分迁移速度较慢。因此，在冻胀地区进行工程建设时，需要根据土壤的特性和水分含量进行合理的设计和施工，以避免冻胀对工程造成的破坏和影响。
3水分迁移试验方法
关于水分迁移的研究有诸多实验方法，如：热重法：通过测量土样在不同温度下的质量变化，计算出土样中的水分含量，从而研究冻胀过程中土壤水分迁移规律。
水分迁移试验法：将试样放入水分迁移装置中，通过控制温度和湿度，模拟冻胀循环过程，观察试样的变形情况和水分迁移情况，从而研究冻胀过程中土壤水分迁移规律。
水力学试验法：通过测量土样在不同温度下的渗透系数和渗透率，研究冻胀过程中土壤水分迁移规律。
电化学试验法：通过测量土样在不同温度下的电导率和电阻率，研究冻胀过程中土壤水分迁移规律。
核磁共振试验法：通过测量土样在不同温度下的核磁共振信号，研究冻胀过程中土壤水分迁移规律。
4水分迁移模型研究
孙丽源等[4]通过室内冻融试验分别研究了补水条件下冻融过程中不同初始含水量及不同循环次数下土体内部水分及热量迁移规律，并在试验的基础上建立了冻融循环过程中土体水热迁移的HYDRUS-1D模型，能较精准地模拟试验环境下的土体物理性质及水热迁移现象。
曾桂军等[5]建立了土体水分迁移及分凝冰形成过程的冻胀模型，通过模型控制方程并假设冻结缘中单位时间内水分迁移速度为常数，计算冻结缘内水压力，根据克拉方程得到冰压力，验证了分凝形成位置及成长的过程，具有较强的实用性。
周家作等[6]根据细粒土在冻结过程，建立起综合考虑温度梯度、冻结速率、竖向压力和土样高度的冻胀速率表达式，并导出考虑水分迁移的热传导方程，将土体中含水量为判别新冰透镜体生成的标准，在水热模型的框架下对冻胀和温度变化进行了COMSOL Multiphysics PDE模块的数值模拟，通过此方法得到了冻结过程中的温度和冻胀量变化。
吴道勇等[7]通过对青藏高原收集的粉质粘土中的水和盐在冻融过程中的迁移研究，冻融过程中水和盐的相变的速率、温度和压力梯度对水的迁移给出了模型公式，从而得到了盐分可能经过大量循环后在表层土壤中积累，导致土壤盐渍化的结论。Thomas等[8]用许多简单的函数（指数函数或幂函数等）描述了液态水与温度之间的关系，但是这些方法无法模拟冻融循环过程中的实际滞后现象，可能会产生很大的计算误差。
李洪升等[9]考虑水分、温度和应力的相互作用给出了一种数学框架，并通过二维算例对该数学模型进行了检验。孔令坤等[10]冻土土体作为弹性体，同样是对水分场、温度场、应力场三场耦合的给出了一种数学模型，并给出了相应的离散方程及其解法。
5结语
研究土在冻胀过程中的水分迁移规律，可以为冻胀区的工程设计提供科学的依据，从而减少工程建设中由于冻胀引起的损失。本文归纳总结冻胀过程中土壤水分的相关试验、研究及预测模型。数值模拟在岩土的各个领域正在蓬勃发展，但在水分迁移的相关研究中比较有限，需要更多新的研究模型来探究冻胀过程中的水分迁移，来为工程实际服务。
参考文献
[1] 徐学祖,王家澄,张立新. 冻土物理学. 北京：科学出版社. 2010.
[2] 温智,邓友生,冯文杰等. 冻土水分迁移机理研究：评述与展望[J/OL]. 冰川冻土:1-11[2022-05-05].
[3] 马巍,王大雁. 冻土力学. 北京：科学出版社.2014.
[4] 孙丽源. 冻融作用下非饱和黄土水热运移规律及其HYDRUS模拟[D]. 兰州理工大学,2019.
[5] 曾桂军,张明义,李振萍,裴万胜. 饱和正冻土水分迁移及冻胀模型研究[J]. 岩土力学,2015,36(04):1085-1092.
[6] 周家作,韦昌富,李东庆,魏厚振,裴万胜. 饱和粉土冻胀过程试验研究及数值模拟[J]. 岩石力学与工程学报,2017,36(02):485-495.
[7] Wu, Daoyong & Zhou, Xiangyang & Jiang, Xingyuan. (2017). Water and Salt Migration with Phase Change in Saline Soil during Freezing and Thawing Processes: D. Wu et al. Groundwater xx, no. x: xx-xx. Groundwater. 56. 10.1111/gwat.12605.
[8] Thomas, H.R., P. Cleall, Y.C. Li, C. Harris, and M. KernLuetschg. 2009. Modelling of cryogenic processes in permafrost and seasonally frozen soils. Geotechnique 59:173–184.
[9] 李洪升,刘增利,梁承姬. 冻土水热力耦合作用的数学模型及数值模拟[J]. 力学学报,2001(05):621-629.
[10] 孔令坤,李清霞. 冻土中水、热、力耦合作用的数学模型及数值模拟[C]. 中国公路学会,国际道路联盟(IRF),美国交通研究委员会(TRB).第六届中国公路科技创新高层论坛论文集（上册）.第六届中国公路科技创新高层论坛论文集（上册）,2013:323-328.
作者简介：张振军，男，汉族，河南周口人，硕士在读，研究方向为道路工程。
