本文研究的核心是人工地层冻结技术下的热-水耦合模拟，与生命科学和健康医学领域无直接关联。因此，第三项关于“生命科学和健康医学领域的中文关键词”的要求无法根据文档内容完成。 以下是针对您其他问题的分析： 中文标题 考虑相变与渗流耦合的人工地层冻结帷幕动态发展机理与工程阈值研究

《Case Studies in Construction Materials》：Machine Learning-Based Prediction of the Compressive Strength of CO?-Cured Concrete: Benchmarking and SHAP Interpretability

语 为研究渗流条件下人工地层冻结（AGF）的动态相变与渗流路径耦合效应，本文建立了热-水耦合数值模型，引入了温度依赖的相变函数。研究表明，渗流会导致上下游冻土帷幕厚度不对称，并显著延长冻结时间。研究为FSPR工法在富水地层中的应用提供了关键渗流速度阈值（0.7 m/d），对保障工程安全具有重要意义。

　　

论文解读文章

在城市建设不断向地下空间拓展的今天，穿越富水软弱地层的隧道工程面临着严峻挑战。地下水如同暗河般流动，不仅软化岩土体，更在施工中带来涌水、坍塌的巨大风险。传统工法在此类地质条件下往往力不从心，而人工地层冻结（Artificial Ground Freezing, AGF）技术则提供了一种巧妙的“冰冻封印”方案。该技术通过冻结地层中的孔隙水形成冰，将松软的土壤暂时转变为坚固且不透水的冻土帷幕，从而为地下开挖作业撑起一把坚实的“保护伞”。其中，冻结密封管幕（Freeze-Sealing Pipe Roof, FSPR）法结合了管幕支护与冻结技术，被视为处理复杂水文地质条件的有效手段。

然而，这把“保护伞”的撑开过程并非一帆风顺。地下水的流动（渗流）会不断带走冻结管道释放的冷量，如同微风吹散烛火的热量，严重阻碍冻土帷幕的形成与发展，甚至导致帷幕无法闭合，工程安全无从谈起。长期以来，传统的数值模型在模拟这一复杂过程时存在明显不足：它们常将水结冰的相变过程视为静态处理，并假设土体的渗透性为恒定值。这种简化忽略了冻结过程中冰-水相变的动态本质及其对渗流路径的实时改变，导致预测结果可能与实际情况相去甚远，无法为工程设计提供精准指导。因此，如何建立一个能够动态捕捉相变与渗流耦合效应的数学模型，准确预测渗流条件下冻土帷幕的发展规律，并找到保障工程安全的关键控制参数，成为了摆在研究人员面前的紧迫课题。

为了解决上述问题，南京工业大学岩土工程研究所的研究团队在《Case Studies in Construction Materials》上发表了一项研究。他们旨在建立一个更符合物理实际的热-水耦合数值框架，以揭示渗流对FSPR工法中冻土帷幕形成过程的影响机制，并确定满足工程安全要求的临界渗流速度。

研究人员开展此项研究主要运用了以下关键技术方法：首先是热-水耦合数值模拟，基于多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics，联立求解描述多孔介质中热量传输的温度场控制方程（涉及等效热容、热传导和对流项）以及描述地下水流动的渗流场控制方程（基于达西定律）。其次是动态相变与渗透性演化模型，研究的关键创新在于引入了温度依赖的光滑阶跃函数作为相变函数，该函数动态地关联了未冻水饱和度，从而能更真实地模拟冰-水相变的渐变过程。随着温度降低、冰含量增加，模型通过相对渗透率模型动态降低冻土区的渗透性，以反映渗流路径的改变。研究以南京南站隧道下穿秦淮河段的FSPR工程为原型，建立了二维简化模型，模型参数均来源于实际工程条件。最后通过参数化分析与阈值判定，系统模拟了不同渗流速度下冻土帷幕的发展，并以达到1.5米设计厚度为标准，分析了冻结时间的变化规律并确定了临界渗流速度。

研究结果主要分为模型验证与矩形布置模型分析两大部分。

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  4.1. 模型验证
  通过建立一个双冻结管模型，比较了考虑与不考虑相变两种情形下的流线与温度分布。结果清晰地表明，在不考虑相变时，水流会直接穿透已形成的冻土帷幕并带走冷量，产生一个不符合实际经验的、异常巨大的冻结区域。而在考虑相变后，水流被有效地阻挡在冻土帷幕之外，沿其外缘绕流，同时冻结区内的渗流速度趋近于零。这一对比验证了所建立的相变模型能够有效地嵌入热-水耦合框架，动态改变渗透性和渗流路径，从而确保了后续模拟的准确性。
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  4.2. 矩形布置模型
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    4.2.1. 无渗流影响的结果
    在不考虑渗流的情况下，冻土帷幕的温度场呈对称发展，上下游厚度一致。其厚度发展呈现对数增长趋势，在冻结20天、40天和60天后，稳定的冻土帷幕（-10°C等温线以内）厚度分别达到约0.7米、1.5米和1.9米。
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    4.2.2. 考虑渗流影响的结果
    一旦存在渗流，冻土帷幕的发展便呈现出显著的不对称性。在0.2、0.4和0.8 m/d三种渗流速度下，模拟结果均显示：上游侧的冻土帷幕厚度普遍小于下游侧，且这种差异随着渗流速度的增大而愈加明显。这是因为流动的地下水持续冲刷上游侧正在形成的冻土帷幕正面，通过对流换热阻碍了低温的累积。
    更重要的是，渗流显著延长了达到设计厚度所需的冻结时间，且这种延长是非线性的。具体而言，在渗流速度为0.2、0.4和0.8 m/d时，上游侧冻土帷幕达到1.5米厚度所需的冻结时间分别为45天、53天和80天。通过精细的阈值分析，研究最终确定：在本研究特定的工程参数和环境条件下，若要在60天的冻结工期内使上游冻土帷幕达到1.5米的安全厚度，地下水的渗流速度不应超过0.7 m/d。这一结果为工程决策提供了明确的定量依据。

结论与讨论部分对本研究进行了总结并强调了其重要意义。本研究成功建立了一个包含动态相变函数的热-水耦合数值分析框架，并系统应用于FSPR工法。主要结论有三点：第一，模型验证表明，引入相变函数对于真实模拟渗流路径改变和防止水流穿透冻土帷幕至关重要。第二，案例研究表明，无渗流时冻土帷幕对称发展；有渗流时则产生上下游不对称，且上游发展滞后，其厚度增长呈现先慢后快的模式。第三，也是最具工程指导价值的发现，即渗流速度与冻结时间呈非线性正相关，并确定了0.7 m/d这一关键的临界渗流速度阈值。

这项研究的意义在于，它突破了传统模型对相变和渗透性的简化假设，通过更精细的物理机制描述，显著提升了人工地层冻结过程模拟的可靠性。所确定的临界渗流速度阈值，为类似FSPR工程在富水地层中的设计与施工提供了直接、量化的安全控制标准。当实际渗流速度超过此阈值时，研究提示工程人员需要提前考虑采取更换制冷剂或采用其他辅助工法来降低流速，从而保障冻结帷幕的有效形成与工程的整体安全。这无疑为高风险的地下工程建设增添了一份重要的科学决策依据。