冻融作用对土工程性质影响的研究现状

冻融过程中土结构受冷生作用的影响，可导致土的工程性质发生变化。在冻土地区进行路堑开挖、新消边坡的加固和路基修建时，由于新近暴露的土受到冻融风化作用，在相关的变形和稳定性分析中，选择土性参数时必须考虑土工程性质的变化。在查阅大量文献的基础上，从试验仪器和研究方法、冻融作用下土的物理性质和力学性质的变化及其机理等几个方面，对土的工程性质受冻融循环影响而改变的研究现状进行了总结和分析，列出了典型的研究成果。文献研究表明，土经过冻融后，渗透性会增大；松散土和密实土的密度具有不同的变化趋势；原状超固结土的结构性受到破坏，因而三轴试验的应力应变曲线峰值受到削弱，一维压缩试验中表现为前期固结压力降低；强度的变化则有诸多不同的试验结果。针对目前的研究现状并根据作者的相关工作，提出了进一步研究的思路。     

冻融循环对硅酸钠固化黄土力学性质的影响

硅酸钠作为一种灌浆材料,常被用于湿陷性黄土的固化工程。冻融循环会影响季节冻土区固化黄土的结构,从而导致其力学性质发生变化。以兰州黄土为研究对象,分别对冻融循环前后掺量为3%的硅酸钠固化黄土进行压汞试验和力学强度试验,从强度、刚度、能量耗散和土体微观孔隙结构等方面探讨冻融循环作用对硅酸钠固化黄土力学特性的影响。结果表明：一方面,冻融作用会增大土中平均孔隙直径,降低微孔隙含量,导致土样产生裂隙;另一方面,硅酸钠反应生成的Na⁺在水分梯度作用下迁移至土样和裂隙表面并重结晶,上述作用破坏了土颗粒间胶结,最终大幅度劣化了固化黄土力学性能。随着冻融次数的增加,硅酸钠固化黄土无侧限抗压强度在单轴加卸载过程中的能耗值、弹性变形量和滞回环回弹模量均呈现下降趋势,冻融20次后强度降幅高达85.33%,而能耗均值与回弹模量均值分别为未冻融状态下的8.68%和20.70%,即固化土消振性与刚度大幅劣化。鉴于此情况,季节冻土区盐渍黄土硅酸钠的固化处理措施应慎重使用。     

冻融循环作用下冻结黏土矿物物理力学性质研究

冻土工程破坏主要的原因之一是冻融循环作用。通过对高岭土(主要黏土矿物为高岭石)、膨润土(主要黏土矿物为蒙脱石)在反复冻融作用下的物理性质试验及球模仪试验,研究高岭土及膨润土在冻融循环作用下的物理力学性质变化,并由此推定不同黏土矿物含量土在冻融循环作用下物理力学的变化规律。结果表明:(1)前10次冻融循环对高岭土及膨润土的物理力学性能影响很大,冻融10次后,随冻融次数的增加,高岭土的密度下降,孔隙比增加,膨润土的密度增加,孔隙比减小;(2)冻融过程中物理性质的变化不仅与土样的种类有关,也与土样的矿物成分有关;(3)高岭土的长期强度C24远高于膨润土,但是冻融过程中高岭土的力学性能变化较大,而膨润土相对比较稳定。     

渠基土在冻融循环作用下的变形和应力变化特征

受季节性气候变化和昼夜交替的影响,处于寒区的地表浅层土体不可避免地会发生冻融循环作用。冻结过程引起土体的膨胀变形,融化过程引起土体的压缩沉降变形。同时冻融交替变化会诱发渠基土的结构与物理力学性质发生显著改变,从而危害工程设施的服役性。土体所处的应力环境是影响冻融过程中土体变形发展的关键因素。为了研究不同上覆荷载条件下冻融循环过程对寒区渠基土变形与冻胀应力发展特性的影响,开展了一系列冻融循环试验。结果表明：在上覆荷载为10 kPa时,冻融循环会使土体产生膨胀变形;当上覆荷载为50 kPa或100 kPa时,冻融循环会使土体产生非常明显的固结沉降,且上覆荷载越大,沉降量也会越大。随着冻融循环次数的增加,土体在其所处的应力环境下逐渐形成相对稳定的固结结构,单次冻融过程中产生的冻胀量与融化固结量趋于相等,即冻融稳定系数趋于1。在不同上覆荷载条件下固结稳定后,保持试样两端约束的位移不变,发现土体冻融过程中产生的最大竖向冻胀应力随冻融循环次数的增加不断衰减,且冻胀应力的发展与孔隙水压力的变化具有一致性。因此,通过对恒定上覆荷载条件下冻融过程中正冻与正融界面附近孔隙水压力分布的研究,可揭示冻融过程中土体变形发展的内应力机理。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究EI北大核心CSCD

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为"冻缩融胀",含水率高的膨胀土体积变化规律表现为"冻胀融缩";冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

冻融循环作用下冻结掺和土料动力特性研究北大核心CSCD

冻融循环作用是寒区土体力学性质改变的主要影响因素之一。为研究冻融循环作用下寒区冻结掺和土料的动力特性(包括动变形和动强度),以寒区高土石坝砾石掺和土坝料为研究对象,采用低温振动三轴材料试验机,对不同冻融循环次数(0、5、20次)下的冻结掺和土试样进行不同围压和不同动应力幅值比条件下的低温动力循环三轴试验,探讨冻融循环作用对冻结掺和土料的动应力-动应变关系,体变、滞回曲线,轴向累积应变,动回弹模量,残余应变以及动强度的影响。结果表明:随着冻融循环作用的增加,冻结掺和土料的动应力-动应变曲线和体变曲线逐渐稀疏,且试样达到破坏应变的振动次数呈线性减小。通过对不同冻融循环次数下冻结试样的滞回曲线、轴向累积应变、残余变形的研究,发现冻融循环作用使得试样抵抗变形的能力下降。随冻融循环次数的增加,试样的动回弹模量减小,动强度逐渐降低,试样更容易发生破坏。研究结果较好地解释了冻结掺和土料在冻融循环作用下动力变形的机制,可为基于动力变形控制的寒区工程基础设计提供科学参考。     

冻融循环下膨胀土物理力学特性研究

处在季节性冻土区的膨胀土渠道极易受到冻融循环作用的影响,影响工程的稳定安全。为了探究冻融循环作用对膨胀土物理力学特性的影响,以南阳膨胀土为研究对象,开展了不同含水率条件下膨胀土试样的冻融循环试验,对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行了变形测量、无侧限压缩试验和微细结构试验。结果表明,在冻融循环过程中含水率低的膨胀土体积变化规律表现为“冻缩融胀”,含水率高的膨胀土体积变化规律表现为“冻胀融缩”;冻融循环作用对膨胀土的应力应变曲线、强度和弹性模量有着显著的影响,尤其是第1次冻融循环作用;试样的含水率越高,膨胀土的力学参数受冻融循环作用的影响越大;试样的面孔隙度和孔隙定向度的变化规律与力学参数的大致呈负相关,说明冻融循环作用下土体内部微细结构的变化直接影响着膨胀土的力学性质。     

冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响

通过对洛川黄土在反复冻融作用下的电镜扫描观测、单轴压缩试验和三轴剪切试验,研究了冻融循环作用对黄土微结构和强度的影响. 结果表明：随着冻融循环次数的增加,黄土的原始胶结结构逐渐被破坏,颗粒重新排列,土的结构越来越疏松,同级压力下土体的孔隙比不断增大;冻融循环50次后土样的原始胶结已完全破坏,当压力超过自重应力时会产生很大的附加变形. 反复冻融作用使黄土颗粒之间原始固有胶结逐渐减弱,造成黏聚力不断降低. 同时,较大的团粒破碎,颗粒均一化,颗粒与颗粒之间的接触点增多,表现为内摩擦角不断增大. 多次冻融循环后,原状黄土的抗剪强度与重塑黄土的强度接近.     

基于核磁共振的不同含水率黄土古土壤冻融循环试验研究

为明确不同含水率古土壤在冻融循环作用下其微观结构特性及古土壤损伤机制,采用核磁共振扫描仪对不同含水率冻融循环后的古土壤试样进行测试,研究冻融循环和含水率共同作用对古土壤微观结构的影响及土体内部损伤变化。结果表明:冻融循环下不同含水率使土体内部产生不同程度的损伤,损伤程度为含水率大的土体大于含水率小的土体。随着冻融循环次数增加,T₂谱曲线信号幅度增加,孔隙结构改变,大孔隙、最大孔隙含量增加,中孔隙含量减小; 同时含水率较大的土体孔隙体积增大幅度大于含水率较小的土体,说明在季节冻土区建设工程中含水率越大土体越易发生破坏,因此在工程中应注意防排水问题。依据损伤力学原理,得出土体颗粒连续性与孔隙率关系,进而得出有效应力与孔隙率关系; 根据核磁扫描结果,建立孔隙率与冻融循环次数关系,最终推导出古土壤有效应力与冻融循环次数关系表达式。研究成果为季节冻土区古土壤地层建设工程提供理论指导。     

冻融作用对青藏粘土工程性质的影响

以青藏粘土的重塑饱和土样为研究对象,使土样在封闭系统下经历一个冻融循环,通过试验考察土的工程性质在冻融作用下的变化规律.试验表明: 冻融循环对不同初始密度的土具有双重作用,使低密度的土变得密实,而高密度的土密度降低.密度变化的同时,其力学性质也发生相应的变化.试验分析了在相同冻结条件下,随着初始密度变化冻融后力学参数的变化规律.     

冻结作用对青藏红黏土及兰州粉土微观结构的影响分析

冻土微观孔隙特征是决定冻土体一系列物理、力学性质的基本参数,冻土中存在的冰晶体其体积受温度影响发生变化会影响到冻土的土体微观结构及孔隙特质发生变化。利用可用于负温冻土观测的新型扫描电镜,通过对青藏红黏土及兰州粉土不同初始条件下的土样冻结前后微观结构进行研究分析。结果表明：冻结作用发生后,冰晶生长对周围土颗粒产生挤压作用,导致周围土颗粒的移动和结构破坏,土中大孔隙的数量增多,加之周围小孔隙补给大孔隙中的冰晶进一步生长,出现局部个别大孔隙体积增大,小孔隙体积缩小的现象,表现在孔隙率上为土体在冻结后孔隙率减小;此外,对于粒径级配不同的土体而言,冻结作用对细颗粒土的土体孔隙的尺寸、形态以及排列方式等方面的影响均大于粗颗粒土;同样,初始含水率决定了冻结作用发生后参与改变土体微观结构的冰晶体生长的"量"的大小,在冻结作用对土体结构性破坏的过程中起重要作用。研究成果定量揭示了冻结作用对不同初始条件下的土体微观结构的影响,为研究冻土宏观力学特性和冻胀机制等提供了理论基础与和试验支撑。     

循环冻融下寒区工程常用保温材料性能变化试验研究北大核心CSCD

保温材料广泛应用于寒区工程的诸多领域。然而,在服役过程中,保温材料往往会受到浸水、冻融和盐蚀等多场耦合的循环作用,导致其保温、防水和强度等物理力学性能出现不同程度的退化。目前,保温材料的类型非常多,但其性能和耐久性有所不同,因此科学合理地选择保温材料不仅关系到其长期保温效果,同时对于工程构筑物的长期稳定性具有重要的意义。针对循环冻融作用,选取寒区工程中常用的4种保温材料[聚酚醛(FLK)、聚氨酯(PU)、聚苯乙烯挤塑板(XPS)和聚苯乙烯发泡板(EPS)]开展了浸纯水、浸盐水和干燥状态下的室内冻融循环试验,对经历了不同冻融次数的样品进行了表观密度、吸水率、导热系数、压缩强度、弯曲强度和微观结构系列测试。结果表明:浸润作用对保温材料物理力学性质影响显著,亲水性材料FLK的保温和力学性能退化显著,而憎水性材料PU、XPS和EPS变化相对较小。干燥条件下,冻融循环作用对FLK、XPS和EPS吸水率以及FLK的导热系数影响量值可观,但对4种保温材料的压缩和弯曲强度影响不大。浸纯水和盐水条件下,经历30次冻融循环后,FLK的导热系数增加约50%,弯曲强度降低超过0.3%,EPS的压缩强度降低超过10%。浸盐水后保温材料经历冻融循环作用后其物理力学性能退化程度与浸纯水条件下有所不同,该差异值得关注。通过扫描电镜图像能够识别4种保温材料的孔隙尺寸、孔隙致密度和固体颗粒胶结方式,但对经历冻融循环作用后的变化难以识别和量化。基于试验结果,结合寒区交通工程应用场景,分析了4种保温材料的冻融耐久性,以期服务于寒区交通工程保温材料的合理应用。     

上海人工二次冻融土无侧限抗压强度研究

随着上海地下空间的开发利用,冻结法越来越广泛地用于隧道建设中。为了避免冻结法施工中可能产生的地质灾害问题,有必要对上海软土地区的土体冻融过程中物理力学性能进一步地研究。通过对上海软土某工程3种不同的土样原状土、一次冻融土、二次冻融土进行不同状态下土力学试验,得到了土体在二次冻融循环作用下物理力学特征的变化规律。研究结果对隧道的设计提供了有价值的参考。     

不同应力路径下K_0固结结构性黏土微观结构特征试验研究

研究结构性黏土在不同应力路径下的微观结构变化可深入了解K_0固结下结构性黏土结构性特性变化的内在机制。在对衡水地区天然黏土进行不同应力路径条件下三轴剪切试验的基础上,利用微观定量化技术,对比不同应力路径条件下土样的微观结构,从微观角度对结构性黏土的微观结构特征变化机制进行了解释。结果表明:在不同应力路径下土体的孔隙直径、颗粒和孔隙的定向排列变化较大,而颗粒和孔隙的形状特征变化较小。增大球应力使土颗粒变得密实,使孔隙压缩,土体体积减小;减小球应力使土颗粒变得松散,孔隙直径增大,土体体积膨胀。增大或减小偏应力对土体微观结构的影响相似,在土体结构破坏前使土骨架变形产生一定压缩,在土体结构破坏后使颗粒错动、翻滚并相互搭接,扩大了粒间孔隙,使土体出现剪胀。土颗粒形状的不规则性导致球应力和偏应力对体应变和剪应变的交叉影响。研究结果揭示了不同应力路径下结构性黏土应力-应变特性的微观机制。     

徐州地区非黄土类湿陷性土的工程特性及其湿陷性机理

通过对徐州地区山间盆地的冲沟附近具有湿陷性的粘性土进行一系列的试验分析和研究，揭示了该地区非黄土类湿陷性土的工程特性。结论认为其湿陷性主要是由于环境地质作用破坏了初始的土—水—电解质平衡，使得土的结构、强度改变，并导致了湿陷性的产生。     

淮南刘庄煤矿地基人工冻融土工程性质与中微观结构之间关系研究

以淮南刘庄煤矿主井地基的人工冻融土为研究对象,以偏光显微镜,扫描电镜（SEM）为主要研究手段,研究分析了人工冻融土与原状土的中微观结构、冻融前后的中微观结构的变化规律及内在原因。此外,还研究分析了人工冻融土冻融前后的中微观结构及其变化与人工冻融土的物理、力学、工程性质之间的关系。研究显示中微观结构对人工冻融土的物理、力学、工程性质有很大的影响,冻融前后中微观结构的变化受到土的种类、埋深、原状土的中微观结构等因素的影响,且冻融前后的中微观结构的变化在一定程度上主导了冻融前后的物理、力学、工程性质的改变。     

结构性吹填土压缩变形微观机理试验

吹填土是一种人造土,具有大孔隙比、压缩性强、低强度等特点,其微观结构对土的力学性质有很大的影响,是一种强结构性土。通过分析不同轴向应力下压缩土样的微观SEM照片,探讨了孔隙微结构参数与轴向应力之间的关系,得出在吹填土压缩变形过程中存在屈服应力。在所受应力大于和小于屈服应力时,吹填土的压缩性存在差异,其微观表现为微结构参数在压缩过程中产生了突变,其根源是在压缩变形过程中,吹填土的微观结构产生了破坏。简要分析了结构性吹填土压缩变形微观机理。结果表明,吹填土的压缩过程分为孔隙中气体的压缩与水份的运移、团粒的相对滑移和结构破坏与新结构形成3个阶段。     

冻融循环对黏质粗粒土单轴抗压性能影响的试验研究

循环冻融作用下粗粒土的力学性质对于高寒地区边坡稳定性分析意义重大。以藏区某一排土场土体作为依托,开展了不同冻融循环次数后不同级配黏质粗粒土的单轴压缩试验,研究冻融循环作用对黏质粗粒土单轴抗压性能的影响。结果表明：冻融循环作用对黏质粗粒土应力-应变关系曲线性状及破坏模式有一定的影响,可使其应变呈现由脆性破坏（软化）向塑性流动（硬化）变化的规律。当提高冻融循环次数时,该类土体的弹模和抗压强度均显著减小,其中5~9次冻融循环前减小幅度较大,之后基本保持不变。单轴抗压性能的弱化与土样循环冻融过程中伴随的细颗粒团聚、大中孔隙增多、密实度下降有关。20次冻融循环后,该土质土样抗压强度、弹模最大降低幅度各自高达43%和77%。可见随着提高细砾组的含量,土样的抗压强度和弹模均呈现下降的趋势,这与该土样内粗、细土颗粒的比例及强度发挥机理密切相关。粗粒土单轴抗压破坏应变随冻融循环次数和细砾组含量的增加有一定的增加趋势。     

改良粉土强度的冻融循环效应与微观机制

为了研究冻融循环对改良粉土强度的影响规律及其作用机制,开展了不同初始压实度和初始含水率试样的冻融循环试验。对经历不同冻融循环次数作用后的试样进行无侧限抗压强度试验,探讨了冻融循环作用对改良粉土的长期强度的影响规律。试验结果表明,随着冻融循环次数增加,改良粉土的抗压强度下降,最终在6次冻融循环后趋于稳定;相同的冻融循环次数条件下,初始含水率越大,改良粉土的抗压强度衰减幅度越大。为了寻找冻融循环作用对改良粉土孔隙结构的影响规律,进而揭示冻融循环对试样结构损伤的机制,开展了改良粉土的细观孔隙结构试验。试验结果表明,不同的冻融循环次数和初始含水率对小孔径孔隙（ 10 nm）之间的结构影响不大;冻融循环作用主要损伤了大孔径孔隙（0.01～100 μm）之间的结构,从而降低了改良粉土的强度。     

基于压汞法的冻融循环对土体孔隙特征影响的试验研究

冻融循环会改变土的微观结构, 孔隙特征的变化是其结构性发生改变的重要体现. 以青藏铁路沿线粉质黏土为研究对象, 借助压汞技术对不同冻融次数下重塑土样的孔隙特征进行了研究. 结果表明:土体孔隙特征分布曲线表现出明显的双峰特征, 据此可将土样的孔隙分为大孔和小孔两大类; 冻融循环次数对小孔隙的影响较小, 小孔隙直径和体积基本保持不变; 冻融循环次数对大孔隙的影响较大, 特别是孔径为20～40 μm的孔隙, 其直径和体积均随冻融次数的增加而增大. 试样的孔隙率随冻融次数的增加并无明显规律, 但总体的变化趋势是先增大后减小. 由孔隙分形维数计算结果可知, 冻融循环在改变土体孔隙结构的同时, 使孔隙内壁的粗糙程度及孔隙结构的复杂程度降低.