冰川冻土, 2023, 45(2): 588-598 DOI: 10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0045

寒区工程与灾害

冻土水分迁移机理研究：评述与展望

温智,1, 邓友生1, 冯文杰1, ZHIRKOV Aleksandr2, 张莲海1, 高樯1

1.中国科学院 西北生态环境资源研究院 冻土工程国家重点实验室，甘肃 兰州 730000

2.Melnikov Permafrost Institute，Siberian Branch，Russian Academy of Sciences，Yakutsk 117997，Russia

Study on the mechanism of moisture migration in freezing soils： review and prospect

Zhi WEN,1, Yousheng DENG1, Wenjie FENG1, Aleksandr ZHIRKOV2, Lianhai ZHANG1, Qiang GAO1

1.State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering，Northwest Institute of Eco-Environment and Resources，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，China

2.Melnikov Permafrost Institute，Siberian Branch，Russian Academy of Sciences，Yakutsk 117997，Russia

收稿日期: 2022-11-23   修回日期: 2023-01-15  

基金资助: 中国科学院重点部署项目.  ZDRW-ZS-2020-1
国家自然科学基金项目.  41871061.  41971087.  422723327
国家自然科学基金国际交流合作项目.  42011530084
甘肃省国际科技合作专项.  20YF8WA007
中国科学院PIFI项目.  2022VEB003

Received: 2022-11-23   Revised: 2023-01-15  

作者简介 About authors

温智，研究员，主要从事冻土物理学与寒区工程研究.E-mail：wenzhi@lzb.ac.cn

摘要

土冻结过程中的水分迁移、积聚是冻害形成的关键环节，至今仍是冻土物理学研究的前沿和重要课题。二十世纪七八十年代冻土水分迁移研究黄金时代以后，长期未有经典理论和科学认知的重大突破，冻土水分迁移中涉及的许多机理性问题和关键瓶颈难题至今仍不能准确回答，尚存在很多争议和认识上的不足，现有研究成果在实际工程中的应用并不令人完全满意。因其性质的易变性、微观性和突变性，冻结相变区（冻结缘）仍是冻土水热输运研究中的一个“黑箱”。研究评述了冻土水分迁移驱动力与迁移过程相关研究的发展历程、主要研究进展与现状；分析了孔隙水压力、土水势驱动冻土水分迁移的物理原理和基本规律，综述了孔隙水压力、土水势的理论表征与试验测试等方面的最新进展、认知现状与主要科学问题；分析了三种流行的冻土水分迁移理论，即毛细水迁移理论、薄膜水迁移理论和水汽迁移理论；总结了制约冻土水分迁移科学认知突破的关键瓶颈难题，展望了未来研究的重点和方向。认为未来的研究应加强仪器设备的改进、研发与新技术引入，重点关注冻土水分迁移驱动力的物理本质和精准监测，强化冻土水分迁移的微观过程及机制认识，需从非平衡态热力学的视角关注热质输运与冰-水相变过程，注重工程化冻土多物理场模型的开发与自主开源计算平台的构建。本文旨在系统梳理冻土水分迁移机理的研究历史与现状，总结概述冻土水分迁移研究在新思想、新理论、新方法和新技术等方面的最新研究动态，凝练指出亟待解决的前沿科学问题和未来研究的重点，促进冻土热质输运基础理论的发展与完善，更好地服务于寒区工程冻融灾害和环境问题的解决。

关键词： 冻土 ; 水分迁移 ; 毛细水 ; 薄膜水 ; 克拉伯龙方程

Abstract

The migration and accumulation of water during soil freezing， a crucial step of frost damage， has always been a frontier and important topic in the research of frozen soil physics. Since the golden age of water migration research for frozen soil in the 1970s and 1980s， there has been no major breakthrough in classical theory and scientific cognition. Many mechanical problems and key bottleneck problems involved in water migration in freezing soil still cannot be answered accurately. The damage and engineering problems related to frost heave haven’t been completely solved until now. Because of its variability， microcosm and mutation， the phase transition zone （frozen fringe） is still a “black box” in the study of water-heat transport in freezing soils. This paper reviews development history， main research progress and current situation of the research on the driving force and process of moisture migration in freezing soil， and then analyzes the physical principle and basic law of pore-water pressure and soil-water potential related to moisture migration in freezing soil. We also summarize the latest progress and main scientific problems in the theoretical characterization and experimental tests of pore-water pressure and soil-water potential， and analyze three popular theories of the moisture migration， namely capillary-， film-， and vapor-water migration theory. This paper summarizes the key bottleneck problems that restrict the breakthrough of scientific cognition for moisture migration in freezing soil and looks forward to the focus and direction in future research. The research suggests that followings should be focused on in future： 1） Strengthening the invention of instruments and the application of new technologies. 2） Focusing on the physical essence and accurate dynamic monitoring of the driving force of moisture migration. 3） Further understanding of the micro process and mechanism of the moisture migration. 4） More attention should be paid to the process of heat-mass transport and ice-water phase change from the perspective of non-equilibrium thermodynamics. 5） The development of multi-physics coupling simulation and the construction of autonomous open-source computing platform. The purpose of this paper is to systematically review current situation and future research direction， and then promote the development and improvement of the basic theory in the heat-mass transport of freezing soil， and better serve the solution of freezing-thawing disasters and environmental problems in cold regions.

Keywords： freezing soil ; moisture migration ; capillary water ; film water ; Clapeyron equation

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温智, 邓友生, 冯文杰, ZHIRKOV Aleksandr, 张莲海, 高樯. 冻土水分迁移机理研究：评述与展望. 冰川冻土[J], 2023, 45(2): 588-598 DOI:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0045

Zhi WEN, Yousheng DENG, Wenjie FENG, Aleksandr ZHIRKOV, Lianhai ZHANG, Qiang GAO. Study on the mechanism of moisture migration in freezing soils： review and prospect. Journal of Glaciology and Geocryology[J], 2023, 45(2): 588-598 DOI:10.7522/j.issn.1000-0240.2023.0045

0 引言

寒区土体冻结过程中水分会向冻结锋面迁移积聚、分凝成冰，进而引起体积膨胀、地面抬升，即冻胀现象。表层土体的周期性冻融循环和热质重分布不仅塑造了冻拔石、石环、斑土等寒区独特地貌单元，形成了多年冻土中特殊的地下冰构造和巨量的地下冰储量，还会导致修筑于寒区的工程构筑物发生不均匀变形、开裂等严重破坏，引发人工冻结施工中经常发生的冻结管断裂、地表隆起等严重问题，加剧土壤盐渍化和地表环境的恶化，至今仍在持续造成巨大的经济损失和社会影响。

早在一百多年前，人们已经意识到，造成冻胀的原因不仅在于原位水冻结过程中的体积膨胀，更主要的是外来水分的迁移积聚与冻结膨胀。早期人们认为是毛细作用引起了冻土的水分迁移，并逐渐形成了解释水分积聚现象的毛细水迁移理论。随着水分迁移研究的进一步深入，薄膜水迁移理论获得了冻土物理学界的广泛认同。通过学者们长期的不懈研究，在冻土水分迁移驱动力、水分迁移过程、冻土热质输运理论等诸多方面取得了大量的研究成果和显著进步，对冻土水分迁移积聚的过程和机理有了较为系统的认识［1-5］。

由于水分积聚与冻胀现象的复杂性，至今仍有很多关键问题尚未得到很好的回答，水分迁移机制、冻胀的物理机制及有效防治至今仍是困扰冻土学界的难题和热点问题。为了准确把握未来冻土水分迁移研究的方向，本文系统回顾了冻土水分迁移方面的研究进展，梳理了水分迁移驱动力与驱动机制、水分迁移过程、水分迁移理论等方面的研究进展，并重点探讨了亟待解决的系列关键科学问题，展望了进一步深化冻土水分迁移现象机理认识的重点研究方向，希望促进冻土水分迁移机理研究的发展，加快冻土热质输运基础理论的完善与发展，更好地服务于寒区工程冻融灾害和环境问题的解决。

1 冻土水分迁移驱动力主要研究进展评述

冻土水分迁移驱动力是冻土水分迁移机理研究中的核心内容之一。为了确定驱动力的来源和数值，各国科学家先后提出了包括毛细力、孔隙水压力、土水势、渗透压、电渗力和冰压力梯度等多种有关冻土中水分迁移驱动力的理论假说。目前，较为主流的冻土水分迁移驱动力有孔隙水压力和土水势。

1.1　孔隙水压力

孔隙水压力驱动理论认为，土冻结过程中冰晶萌生、孔隙水减少，冻结缘暖端孔隙水压力会下降，进而驱动未冻水向暖端迁移，补给分凝冰透镜体生长［6-10］。孔隙冰晶的萌发会引发孔隙水压力的减少，而冰透镜体的不断生长则持续消耗孔隙水，降低暖端的孔隙水压力，从而形成驱动水分向冰晶方向移动的孔隙水压差。与饱和融土中正的孔隙水压力不同，冻土中的孔隙水压力通常为负值。随冻土温度的降低，孔隙水压力逐渐下降，冻结点附近孔隙水压力下降更为剧烈；随冻融或温度变化，孔压也会发生相应变化；土体中溶质浓度和外荷载的改变也会使孔隙水压力发生变化；过冷、冻结速率、饱和度、补水条件及土质等多种因素均会影响孔压的模式和变化规律［11-12］。Tiedje等［13］试验研究发现，封闭系统中，冻结过程冰透镜的增长会导致孔隙水压力的持续下降以及未冻区土体的脱水和不饱和。在外荷载作用下，冻土中也会产生显著的孔压变化，温度越高，越接近相变温度，孔压变化对加载的响应越快越敏感，且这种孔隙受到外力挤压时产生的孔压往往是正值。张虎［14］研究表明，高温高含冰量冻土在荷载作用下会产生明显的超静孔隙水压力，并引发类似于融土中的孔压消散和固结排水现象。这种状态的冻土更接近于传统意义上的饱和融土，孔隙中以自由水为主，且联通性较好。王家澄等［15］研究发现，外界补水压力增大不仅可以增大冻胀量，还会促进冷生构造的发育。承压地下水的侵入积聚、冻结成冰引起体积膨胀可形成高达数米的冻胀丘［16］。最新的有压补水条件下土冻结试验结果表明，水分入流量和冻胀量随着补水压力的增大呈线性增大，且由于水分迁移量的增大，导致冻结锋面的下移速率变缓［17-18］。针对哈大高铁地下水较深且含水率很低的粗粒土路基普遍发育的冻胀现象，Sheng等［19］研究认为是列车的循环荷载导致路基下部土体超孔隙水压力增大，进而将地下水“泵送”到冻结锋面处引发了路基冻胀。这均说明，孔隙水压力和冻土中的水分迁移密切相关。利用土冻结过程中的孔压梯度和冻土的渗透系数，基于达西定律就可确定未冻水的迁移量或冰透镜体生长的补水量。

由于冻土中的未冻水脱离颗粒表面能的作用就会冻结，因此，常规的孔压测量装置不能用于冻土孔隙水压力的量测，需用酒精、硅油等负温下不冻结的液体作为传压介质，研发适用于冻结环境的孔隙水压力传感器。由于缺乏普适的冻土孔隙水压力传感器，不同研究者开发的孔隙水压力传感器测定的结果差异很大，部分结果甚至与理论的可能值相距甚远［20-23］。土体中孔隙水压力作用于微粒或孔隙之间，不断克服土粒的阻力（渗流力），驱动多孔介质中水分运动，顺着流动方向，孔压会逐渐减小。由于孔隙冰晶影响，冻土中水分流动的空间被大大压缩，阻力极大地增加，这可能导致孔压递减的规律发生根本性的变化。另外，冻土中的水主要以薄膜水的形式存在，薄膜水传递孔隙水压力的方式及规律也与自由水不同。目前，由于对冻土孔隙水压力测量和理解的不足，孔隙水压力与冻土水分迁移之间的内在联系仍不十分清楚。

1.2　土水势

20世纪30年代以来，能量观点逐渐引入到土壤水分动态研究，用土水势梯度去度量水分迁移方向和数量的观点逐渐被科学界所接受。从热力学的观点来看，土水体系中的水分迁移是由于该体系中的水处于不平衡状态引起的。不论是在融土还是冻土中，水分迁移都是由于土壤中不同点水分具有不同的土壤水势能，即土水势所引起的。土在冻结过程中，土中部分水的相变造成了未冻土与已冻土间以及已冻土内的未冻水梯度和相应的土水势梯度，从而导致水分向冻结锋面迁移、聚集，并结晶形成冰透镜体而形成冻胀。20世纪80年代，美国陆军寒区研究与工程实验室的Nakano等［24-25］对等温条件下水分迁移的室内试验研究表明，等温条件下的水分迁移通量取决于土壤总含水量（包括未冻水和冰）的梯度。徐敩祖等［26］的研究表明，土水势梯度是冻土中水分迁移的驱动力，而温度是制约冻土中未冻水含量以及土水势的一个主导因素。

融土中通常采用土壤水分特征曲线（SWCC）来反映土壤水分能量和数量之间的关系，冻土中通常采用冻结特征曲线（SFCC）来描述冻土温度与未冻水含量、土水势三者间的关系，一般可利用土水特征曲线或冻结特征曲线来分析土中水分运动。目前，由于测试技术发展水平和仪器的限制，冻土中的土水势很难直接测量（已有水势测量仪器和方法大多不能用于冻土水势测量，如张力计等），一般都是通过经验公式、热力学理论和试验反演分析来确定，并将之应用到冻土水分迁移研究中，基于未冻水变化曲线、克拉伯龙方程的冻结温度降低法是常用的冻土水分能量状态与温度之间关系的表征方法。徐敩祖等［4］基于温度、未冻水含量和土水势之间的相互联系和制约关系，建立了冻土中土水势与温度之间的数学表达式，并根据克拉伯龙方程建立了未冻水的能量状态与温度的关系式。李萍［27］基于开放系统饱水正冻土试验结果，理论推导了分凝冰暖端的冰、水相压力和冻结缘中水势差的表达式，并根据冻结缘中的水势差形式来判断未冻水迁移的方向和数量。Wen等［28］、温智等［29］利用微型化改造的pF Meter传感器首次完整获得了土体在冻结和融化过程中基质势的变化规律，试验证实引起冻土中水分迁移的本质驱动力为冻土基质势，土体基质势或基质势梯度是土冻结过程中迁移的动力和源泉，其变化引起了土冻结过程中的水分重分布。近年来从冻土水势变化规律与机理、溶质影响、理论模型等方面开展了不少冻结特征曲线精细化表征和理论研究工作［30-32］。利用冻土中土水势差或土水势梯度，以及冻结缘的渗透系数，在水分迁移服从达西定律的假设下即可实现对冻土中水分迁移过程的描述。

在非饱和土中，孔隙水压力与孔隙气压力的差值被称为基质势。而在冻土中，基于未冻土中的干湿特性与冻土中冻融特性之间存在相似性的假设，通常将冻土中的冰相取代未冻土中的气相，将孔隙水压力与孔隙冰压力之差定义为基质势。虽然很多人认为非饱和融土中水的能量状态（土水势）与已冻土中相应含水量下的能量状态基本相同，即所谓SFCC与SWCC的相似性［33］，然而，常规融土理论中土水势是衡量等温条件下土壤水能量的指标，但是引起冻土土水势的诱因是温度变化导致的冰-水分配比例变化，其形成与变化的物理本质与融土明显不同。安维东等［34］认为冻土中冰的存在改变了原土的结构，因而在相同液态含水量下，冻融土的土水势是有区别的。另外，以往的研究由于很难直接测量冻土土水势，采取了假设冻土中未冻水含量相当于融土中含水量的近似，通过未冻水含量与温度的关系建立冻土土水势的关系。显然，冻土中的冰如何考虑（视同于土颗粒？或者忽略？），仍存在不确定性，哪种应用更加正确、精确尚未明确得到研究证实，以往研究中直接将冻土中冰晶替代非饱和融土中气体的简化方法可能并不合理。此外，由于技术上直接测定负温环境的土水势不易实现，目前仅有一种基质势传感器pF Meter，其基于摩尔热容原理测得的基质势能否可以合理表征温度变化引起的冻土未冻水能量变化也仍需研究探讨。目前，冻土未冻水含量随温度变化的测量（如NMR）和表征相对比较成熟，但缺乏成熟的水势测量技术，冻土水分能量状态与温度之间关系的表征仍主要沿用冻结温度降低法，但相变过程、冻融作用、冻结与融化过程的不一致性、溶质、基质性质等很多因素都影响并复杂化了冻土水分能量状态与温度的关系表征，其准确描述有待进一步证实和完善。因此，亟需从界面物理学和热力学理论角度出发揭示冻土基质势形成的微观物理机制，明晰冻土水势的概念、内涵、实质与表征，深化了冻土水分迁移驱动力物理本质认识，以解决这一系列搁置问题。

1.3　冰、水相压力与克拉伯龙方程

不论是孔隙水压力，还是土水势，目前其理论表征均依赖描述土体冻融相变过程的克拉伯龙方程及其关联的冰、水相压力。由于冻结相变区冰、水相压力随时间变化复杂，很难测定它们的大小，冻结相变区冰、水相压力到底如何变化存在很多争议，缺乏试验结果的有力支持和证实。目前，通常采用克拉伯龙方程描述冻结相变区冰、水相压力与温度的量化关系，利用相变区的温度分布来计算孔隙水相压力，表征冻土水分迁移的驱动力，进而基于达西定律和克拉伯龙方程构建描述冻土水分迁移的理论模型。克拉伯龙方程基于冰-水相变热力学平衡态条件，从吉布斯自由能出发，是通过分析系统的能量状态来反映系统宏观实际状态的一种方法。由于克拉伯龙方程物理意义明确，描述方程简单，目前在各类理论模型中被广泛采用，并认为可以较为准确地描述冻土相变区的物理过程。国内外大量的研究结果均表明，冻结相变区冰、水相压力变化是制约冻结缘和冰分凝现象形成和发育的最主要因素之一［35-36］。但是，基于克拉伯龙方程的冻土水分迁移与冻胀模型的计算结果和实际情况存在较大误差，在工程实际中的应用仍不能完全满足工程需要，冻结相变区冰、水相压力的变化以及冰透镜体生长等冻土水分迁移研究中涉及的许多机理性问题仍不能准确监测和回答，基于稳态假设的克拉伯龙方程在冻土水分迁移研究中的适用性仍值得讨论。不论是描述单组分物质一阶相变平衡时各物理量变化的经典克拉伯龙方程，还是土水系统下基于温度平衡和化学势平衡，描述热力学冰-水相平衡关系的广义克拉伯龙方程，均被认为仅在压力与温度不随时间变化的稳定假设下才适用，而不能用于开放系统有水流非稳态情形下冰、水相压力的计算［37-38］。

2 冻土水分迁移过程研究进展评述

正在冻结的土体由已冻区、未冻区和位于两者之间的过渡的剧烈相变区组成。已冻区水分迁移量很少，未冻区的水分迁移通常直接借用成熟的融土水分运移理论来描述。由于物理性质特殊而复杂，剧烈相变区是冻土水分迁移研究的核心和关键。目前，描述冻土剧烈相变区水分迁移的理论主要有两种，即毛细水迁移理论和薄膜水迁移理论。毛细水迁移理论认为，相变集中发生于冰-水界面，而薄膜水迁移理论认为，存在一个薄层的相变区，即冻结缘（图1）。

图1

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图1   冰-水界面示意图

Fig. 1   Schematic diagram of ice-water interface： capillary water model （a） and film water model［38］ （b）


2.1　毛细水迁移理论

早在1885年，俄国科学家就提出了毛细作用力下的水分迁移理论假说。该理论认为，水在毛细力作用下，沿着土体中的裂隙和“冻土中的孔隙”所形成的毛细管向冻结锋面迁移。一百多年前，为了解释土冻结过程中水分迁移过程、驱动机制和驱动力学特征，早期冻土学界视土体中的连通孔隙为毛细管结构，以表面张力理论为基础，以毛细作用力为水分迁移驱动力，认为不同相（水相和冰相）之间具有压力差，逐步发展提出了描述正冻土水分迁移的理论模型，其结果在一定范围内与试验结果一致，因而被广泛认可和采用［6，39-40］。随后以Everett［41］为代表的很多研究者在Taber模型的基础上发展了一套由冰-水界面张力驱动水分流动的毛细理论。其主要思想是，冻结过程与土脱湿过程类似，冰-水界面类似于水-气界面，存在冰-水界面张力，并提出了冰压力Pi的概念，采用克拉伯龙方程描述冻结过程中的热力学平衡。毛细水迁移理论通常采用杨-拉普拉斯表面张力方程定义冰-水界面的毛细力，结合未冻水、冰相平衡时的克拉伯龙方程对土体冻胀进行建模，并可定量估计冰透镜体生长时的冻胀力上限，模型中毛细孔隙的尺寸是影响水分迁移和冻胀的重要参数。

上述的毛细理论所获得的结果被早期的很多试验所证实，但仅限于温度很接近冻结温度Tm的条件下。在温度远离Tm时，毛细理论的结果与试验结果差异较大。因为根据毛细理论，冻胀仅在一定的温度范围下才能发生，当温度低于孔隙冰临界温度TP，冻胀将因为“毛管阻塞”效应，导致未冻水无法迁移而终止，但很多试验发现温度低于TP时冻胀过程仍然可以持续。毛细理论模型所预测的冻胀速率偏高，计算冰分凝时细粒土中的最大冻胀力要明显小于实测值。另外，后来很多试验结果发现，毛细理论所预测的结果仅在均质土中才与试验结果相吻合，而在粒径分散度较大的介质中冰透镜生长速率与试验结果差异较大。此外，由于毛细理论的研究对象仅限于冻结锋面处的冰-水界面力学特性，缺少冻结缘结构假设，因而不能用于解释正冻土中不连续冰透镜体的形成机制，只能针对孔隙冰的形成提出一些外部条件和准则。

毛细理论能解释很多冻土水分迁移和冻胀现象，但也存在诸多局限和不足。认识到毛细理论的不足，很多学者也试图对其进行修正和完善。如Sutherland等［42］研究表明，考虑土冻结过程中冰对颗粒的筛选作用，冰侵入孔隙的压力是由土体中的小颗粒决定的，若采用土中10%最小颗粒的粒径来计算，则基于毛细理论也能获得符合实际的冰侵入孔隙的温度范围和土体的最大冻胀力。Style等［43］、Peppin等［44］提出超冷现象导致冰透镜体下部收缩裂隙发育，进而诱发新的冰透镜体萌生的新机制，以修正毛细模型不能解释不连续分凝冰形成的缺陷。目前，由于毛细水迁移理论模型的自身不足以及后期薄膜水迁移理论的广泛认同，毛细水迁移理论逐渐被摒弃。

2.2　薄膜水迁移理论

认识到毛细理论的局限性和不足之处，特别是发现冻结细粒土中存在未冻水，且未冻水以包裹土颗粒未冻水膜的形式存在后［45］，逐步发展形成了细粒土冻结过程中薄膜水迁移理论，并被试验证实［40，46］。其主要思想是，在冻结温度梯度作用下，未冻水膜在土颗粒表面分布不均匀，土颗粒温度较高一侧未冻水膜较厚，而温度较低一侧水膜较薄，不均匀水膜厚度引发的渗透压力会驱动未冻水从水膜较厚处向水膜较薄处补充，以达到新的平衡。20世纪70年代，Miller［1］提出了冻结缘概念，认为冰透镜体与冻结锋面之间的这个薄层区域是控制冻土水分迁移的关键。基于冻结缘概念和薄膜水迁移理论的第二冻胀理论在描述和预测冻胀过程方面取得了很大的发展，薄膜水迁移理论得到了国内外大多数学者的广泛承认。Takashi等［47］指出变薄的薄膜水由于物理化学作用试图恢复其厚度，进而在水膜中产生一个拉力，驱动水膜较厚处水分迁移补给正在萌生的最暖冰透镜体。Rempel等［48］、Dash等［49］通过热力学分析和克拉伯龙方程给出了未冻水膜厚度与温度的关系，从分子力作用和电场力作用角度分析了土颗粒周围未冻水的流动行为，揭示了土冻结过程中未冻水迁移的驱动机制。冻结过程中薄膜水的流动由薄膜水的势能梯度决定，水膜越薄势能越小；水从势能高处流向势能低处，导致未冻水迁移至最暖冰透镜体，并补给冰透镜体的生长［50］。基于冻结缘概念，一系列冻土水分迁移和冻胀的动力学和热力学模型相继被提出，如刚性冰模型、分离冰模型等［51-53］。20世纪末，一些基于微观水膜界面的模型被提出，这些微观未冻水动力学研究从微观物理层面解释冻结缘水分迁移，不仅揭示了冻结过程中未冻水的迁移机制，还使得冻胀研究从之前的宏观方法逐渐向细观甚至微观转变，而研究尺度也从毫米向微米、纳米尺度转换，并取得了很多崭新而有价值的研究认识和成果［54-56］。

2.3　水汽迁移理论

除了液态水方式的迁移，气相迁移也是正冻土中水分迁移的一种方式。寒区非饱和土体冻结时，土中液态水和气态水分别发生冻结和凝华，孔隙相对湿度下降，土体中的水气平衡失衡，引发下部土中液态水或地下水不断蒸发为水汽，以水汽的形式运移至冻结区发生冷凝或凝华，导致冻结区含水率大幅增加。人们很早就试验发现，当非饱和冻土含水量存在梯度差异时，土体也会发生明显的水汽运移，并认为土体温度变化会改变土体孔隙中水汽密度，进而引起水汽的迁移［57］。不过，一般认为，冻土中水分迁移以液态水为主，气态水迁移的贡献很小。但最新的研究表明，在某些特殊情形下，气态水迁移是冻土水分迁移的主要形式，可引发工程灾害。如哈大、哈齐和兰新等寒区高速铁路，尽管采用了粗颗粒路基填料以及各种防冻胀措施，路基冻结过程中仍然出现了轻微的冻胀变形，由于高速铁路对路基变形要求严格，引发了广泛关注的寒区高铁微冻胀问题。为了合理解释深季节冻土区粗粒土路基工程的微冻胀病害孕育机理，近几年开展了大量的粗粒土冻结过程中水分迁移机理的研究，发现粗粒土冻结中液态水迁移量有限，而水汽运移现象显著，气态水在无砟轨道密闭覆盖层下积聚、成冰，形成所谓的“锅盖效应”，导致冻胀病害发生；非饱和冻土中的水汽运移主要受温度和基质势的影响，温度梯度、含水量梯度是驱使水汽运移的动力来源［58-65］。传统冻土水分迁移理论均忽略了水汽运移对水分积聚和土体冻胀的影响，但越来越多的水汽迁移成冰理论研究结果表明，在某些特定条件下，非饱和冻土的水汽相变和运移也可以产生显著的冻胀现象和工程危害，不容忽视。

目前，气态水迁移导致寒区高铁微冻胀是比较流行的观点。不过，也有研究表明，高铁粗颗粒填料冻胀仍是根源于填料中细粒土所含液态水的局部迁移集聚、结冰膨胀，细粒土含量、初始含水量和外界补水量是影响粗颗粒土体冻胀特性的主要因素［66］。大量的试验与工程实践也表明，减少粗粒土中的细粒土含量，就可有效缓减冻胀，这在一定程度上也否定了粗粒土微冻胀的气态水迁移机制，因为降低细粒土含量理论上有利于通畅气态水迁移，应加剧而不是缓减冻胀。粗粒土冻结过程中水汽在密闭冷端的迁移积聚、凝结成冰是毋庸置疑的，但冻胀的发生本质上是一个力学过程，对于非饱和粗粒土中萌生的冰晶如何克服上覆荷载推移土颗粒，进而发生冻胀这个力学过程，目前仍缺乏信服的阐释。寒区高铁工程严苛的路基变形要求激发了近年来的粗粒土冻胀机理研究热，气态水迁移相关研究是从新的视角对粗粒土冻胀这个老问题的重新审视，非饱和粗颗粒填料微冻胀的合理解释仍需进一步研究。

3 关键瓶颈难题与未来研究重点展望

经历上百年探索，土冻结过程中水分迁移机理方面的研究在迁移驱动力、迁移理论等方面取得了可喜的成绩，特别是二十世纪七八十年代为冻土水分迁移研究的黄金时代，诞生了大量经典的理论和模型。然而，由于问题的复杂性，现有研究成果在实际工程中的应用并不令人完全满意，冻土水分迁移中涉及的许多机理性问题和关键瓶颈难题仍不能准确回答，存在很多争议和认识上的不足。例如，冻结缘是深入认识冻土水热迁移、冰晶生长和冻胀机制的最关键区域，但因其性质的易变性、微观性和突变性，至今仍是冻土水热输运研究中的一个“黑箱”，冻结缘水分迁移动力、水热输运及其伴生的冰晶生长微观过程仍不明晰。

3.1　水分迁移驱动力

目前，冻土中未冻水分迁移的驱动力仍不是很明确。不论是土水势还是孔隙水压力，都是直接沿用了常规非饱和土、饱和土的概念，但由于冻土三相四组分介质本身的复杂性和物理性质的特殊性，在冻土中的应用均存在具体概念不清晰、物理意义不明确、适用条件不满足的局限性，特别是常规张力计、孔隙水压力探头不能适用于冻结环境，一直缺乏得到广泛认可的相关参数测试方法和测试设备，不同研究者的测试结果相差甚远，特别是温度远离冻结点时的结果与基于克拉伯龙方程的理论计算结果偏差较大，这些指标能否真实地代表冻土水分迁移的驱动力有待进一步研究。因此，亟需构建合理描述冻土水分迁移驱动力具体概念、物理本质和适用条件的理论框架体系，研发适用冻结环境的高精度传感器，实现驱动力的精准动态监测。

3.2　冻土水分迁移的微观过程及机制

经典薄膜水迁移理论获得了学术界的广泛认同，但冻结缘水热运移机理方面仍存在很多争议。例如，冻土渗透系数试验表明，随温度下降，渗透系数呈指数急剧下降，孔隙水冻结而导致的孔隙率降低将严重阻碍水分向冰晶的迁移补给。薄膜水理论成立的前提是冻结缘内导致水分迁移的势梯度非常大，但这不仅和试验结果相矛盾，同时高的基质吸力理论上会严重降低渗透系数，反而抑制水分迁移。因此，以复冰的形式运移的冻结缘薄膜水似乎不足以补给冰透镜体的快速生长。再如，经典的理论和物理模型均认为，冰透镜体平行于冻结锋面形成，冰晶的生长是一维水平的。但冰晶动态的间接和直接观测均表明，即使在单向冻结条件下，冻土中既形成了水平状冰透镜体，同时也形成了垂直的冰晶，温度梯度和冻缩导致冻结缘张裂隙的萌生与水分迁移、垂直冰晶的形成密切相关［67-69］。最新的研究也表明，毛细水和薄膜水两种机制均在冻土水分迁移过程中发挥作用［70-71］。以上这些研究均表明，冻结缘微裂隙的萌生以及微结构的变化必然会影响冻结缘水分迁移，冻结缘水分迁移可能并不完全是薄膜水迁移的贡献。但是，土冻结过程中微观结构如何变化，这种微结构的变化与冻结缘水热输运究竟存在何种关系仍不清晰。

冻土中水分迁移通常沿用达西定律描述。由于土颗粒对水分子的吸附力作用，导致薄膜水的黏滞性等物理性质和自由水相差很大，如已有研究表明，冻土中薄膜水的黏滞系数可能比自由水的黏滞系数大几个数量级，这表明薄膜水流动性差，水分迁移的速度要小得多。此外，由于物理性质特殊，孔隙水压力在薄膜水中的传递规律和自由水不同，其流动性和孔压传递性质必然受到土颗粒吸附作用力的影响。事实上，岩土工程界对结合水能否传递孔隙水压力也存在争议。这些均表明，在冻结相变区直接沿用达西定律去描述未冻水的流动是有问题的，需要从微细观视角去进一步理解冻土中薄膜水的物理性质、流动特性和迁移规律。

3.3　冻结缘冰-水相变平衡的准确描述

目前通常用表征单组分体系相变过程的克拉伯龙方程来近似地描述冻土相变过程和冰-水平衡条件。克拉伯龙方程基于相平衡及卡诺定理得到，在推导过程中仅涉及同一种物质的气-液-固相变过程，而与其他物质无关，在液体无流动及固体无变形的条件下均可适用，与饱和及非饱和状态无关。不过，固体颗粒对液态和固态水的吸力及压力作用（即土水相互作用）可能会影响其适用性。事实上，冻土中孔隙冰的生成和相行为受空间限制效应和界面效应的影响，但克拉伯龙方程忽视了孔隙效应对孔隙冰晶形成、生长的影响。另外，冻土模型应用克拉伯龙方程时往往采用一些假设，如相平衡分析时通常假设冰相压力等于大气压；在有上覆荷载的情况下，一般假设冰压力近似等于上覆荷载产生的压力，其正确性存疑。由于水分迁移、冰变形、骨架变形及弛豫时间等的影响，土冻结相变过程本质上是趋近于相变平衡态的非平衡过程，用表征平衡态与可逆系统的克拉伯龙方程来描述可能是不合适的，需从非平衡态热力学的视角去刻画这种不处于热力学平衡中的物理系统，更加关注热质输运与冰-水动态变化过程，有望更好地描述冻结缘冰-水相变的物理过程。作为描述冻土水热过程和冻胀的最基本方程，其可靠性无疑事关水分迁移、冻胀预报结果的正确性与精度。

3.4　仪器设备的改进、研发与新技术引入

自20世纪90年代以来，冻土水分迁移进入瓶颈期，不论在机理认识，还是在冻害防治方面，均未取得突破性的进展，主要的原因在于试验仪器和试验方法没有明显的进步，大部分的研究仍囿于传统的仪器设备和研究方法，在水分迁移宏微观过程观测、相关的参变量测量等方面没有显著的进步。冻土水分迁移作为一个老问题，对其认识的深入往往和新技术、新方法的引入与应用有关，如粒子追踪、荧光示踪等新技术的应用极大地提升了热质迁移过程的可视化直观呈现。

由于冻土热质迁移机理的复杂性以及测试手段的落后，仍无法全面理解热质迁移过程中所发生的物理、力学、化学等复杂现象。未来若取得显著的进展，亟需传统仪器设备的改进和新的高精尖仪器设备的研发，引入新的技术手段，破解冻土水分迁移现象微观过程、冻结缘微观结构观测等难题，更加精准地获得剧烈相变区渗透系数、未冻水、土水势等热质输运关键参数，突破孔隙水相压力、冰相压力测量等瓶颈，获取土冻结过程中的水分、温度和应力的分布情况及作用机制。唯有测试手段和方法的创新才能使真正理解水分迁移现象背后的微观机制成为可能。

3.5　工程化冻土多物理场模型的开发与自主开源计算平台的构建

土冻结过程是一个复杂的水-热-力耦合、水-热-力-盐耦合过程，涉及复杂的多场耦合关系和大量的参变量，且这些参变量之间相互影响，随冻结过程的发生而处于动态变化中，这在一定程度上导致建立真正意义上的多场耦合模型几乎是不可能的。另一方面，由于对各个参数的变化规律理解不足，在模型中考虑更多的参数在很多情况下并不会使预测结果更为准确，只会限制模型的应用。当然，过去的经验、半经验冻胀预报模型不但物理意义不明确，而且模型的适用性和准确性也不够。因此，作为服务工程的预测模型，未来的模型开发应更多地考虑符合工程实际，如二维和三维冻结冻胀问题，权衡复杂性、准确性与工程需要，向物理概念更加明确、更便于工程应用的方向发展。

此外，目前冻土多物理场耦合计算模型很多，但模型的侧重点、理论方程和模型假设等诸多方面不尽相同，多数模型仅通过少量室内试验结果验证，在实际工程中的应用效果不佳，模型的开源性和共享程度低，缺乏优胜劣汰和不断优化迭代的机制。因此，亟需构建冻土多物理场自主知识产权开源计算平台，在统一的平台基础上通过不断的优化迭代和大量的工程验证应用，逐步形成可支撑寒区工程设计与建设的通用计算平台。

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