冻融环境下黄土微结构损伤识别与宏观力学响应规律研究

冻融环境下黄土物理力学性质劣化是寒区工程建设必须要考虑的问题之一,取延安市黄陵县黄土为研究对象,以初始含水率、冻融循环次数为变量,借助扫描电子显微镜、Leica Qwin、Canny算子边缘检测、分型理论定量评价冻融环境下黄土微观结构损伤状态;通过GDS探究不同初始含水率、不同冻融循环次数对试样强度指标的影响,并用显著性理论进行评价。结果表明：随着冻融次数的增加试样内部裂隙不断发育演化,土体内部的大颗粒不断分解为若干小颗粒,骨架连接方式发生转变,由面-面接触转变为点-面、点-点接触;随着冻融循环次数的增加面孔隙度、分形维数不断增大,冻融循环10次后趋于稳定,试样在冻融环境下内部微、小孔隙不断向中、大孔隙转化;随着冻融循环次数的增加试样的黏聚力不断减小,内摩擦角不断增大,冻融10次后强度指标趋于稳定,试验结果与图像探伤结论相一致;对试样黏聚力、内摩擦角进行显著性分析可知冻融循环次数、初始含水率及其交互作用（耦合作用）对试样强度指标有特别显著的影响。     

Prediction of copper content in waste dump of Sarcheshmeh copper mine using visible and near-infrared reflectance spectroscopy

The pore structure characteristics of soil are closely related to soil engineering properties. For saline soil distributed in seasonally frozen areas, existing studies have focused on the influence of freeze–thaw cycles on pore structure, while the influence of soluble salt in the soil is not well understood. This study aims to explore the influence of salt content and salt type on the pore structure of freeze-thawed soil. Soil samples with different salt contents (0–2%) and types (bicarbonate salt and sulfate salt) were subjected to 10 freeze–thaw tests, and their pore size distributions (PSDs) were obtained by mercury intrusion porosimetry tests. In addition, the PSDs were quantitatively analyzed by fractal theory. For both salts, the PSDs of the tested soil samples were bimodal after the freeze–thaw cycles, and the porosity of saline soil samples increased with increasing salt content overall. However, the contents of various types of pores in soil samples with two salt types were quite different. The variation in bicarbonate salt content mainly affected the mesopore and macropore contents in the soil samples, and their change trends were opposite to each other. For soil samples with sulfate salt, the porosity and macropore content increased significantly when the salt content exceeded 1%. In addition, the pore structures in saline soil presented fractal characteristics after the freeze–thaw cycles, and the fractal dimension was positively correlated with macropore content. This study may provide references for understanding the engineering properties of saline soil in seasonally frozen areas at the microscale.     

不同温控曲线对石灰改良黄土强度影响研究

青海季节性冻土地区工程建设受冻融循环作用和黄土湿陷性的双重影响,工程上常采用石灰与黄土拌和作为垫层材料以满足工程要求,但冻融循环作用依旧对地基土体的性能有所影响。为探究青海季节性地区气候变化对地基土所带来的不利影响,采用3种温控曲线（1#、2#和3#温控曲线）模拟了青海季节性冻土地区气候变化规律,通过无侧限抗压强度试验和SEM等微观试验,分析不同温控曲线对2∶8、3∶7灰土强度和微观结构的变化规律。结果表明3∶7和2∶8灰土的应力-应变关系均呈现应变软化型,0~6次冻融过程中试样的无侧限抗压强度随着冻融循环次数的增加逐渐降低,继续增加冻融循环次数后其强度有所上升;冻融循环6次时灰土内部孔隙分布相较于冻融20次时多,且随着冻融循环次数的增加颗粒间接触方式由点-点、点-面接触向面-面接触转变;1#温控曲线的微观定量参数较2#、3#温控曲线变化明显,经历1#曲线时试样内部孔隙更为圆滑,结构排列疏松,1#温控曲线对试样结构和强度的影响程度相对较弱。     

典型天然粗粒盐渍土盐胀微观机制分析

为研究经多次冻融循环后天然粗粒盐渍土的盐胀特性及盐胀机制,对取自甘肃河西走廊地区嘉安一级公路沿线的某天然料场的粗粒盐渍土进行了室内基本工程性质试验和大尺寸多次冻融循环盐胀模型试验,并对经过多次冻融循环试验以后的天然盐渍土进行水盐迁移及扫描电镜分析。试验结果表明,粗粒盐渍土在降温阶段土体产生盐胀后亦会出现下陷,最终土体溶陷量大于盐胀量,冻融循环次数的增加会使粗粒盐渍土大颗粒骨架塌陷破坏及一维土柱体从上而下表现出热筛效应;多次冻融循环后的水分盐分在粗粒土柱剖面中的迁移呈现出不完全对应的分布关系。     

冻融循环对盐渍土黏聚力影响的试验研究

通过室内试验,测试了冻融循环对不同含盐量和不同含盐类别盐渍土黏聚力的影响规律。从结晶体位置变化、微观结构、盐类性质及未冻结水含量三个方面分析了冻融循环对盐渍土黏聚力的作用机理。研究结果表明,在含水率一定的情况下,无论是向土中加入Na2SO4,或者是CaCl2,经冻融循环后黏聚力都随冻融次数的增加而减小,且第1次和第2次循环为主要减小阶段;加入CaCl2后黏聚力的减小程度比加入等量Na2SO4后小;冻融循环过程中结晶体析出时位置的变化是土体黏聚力和干密度减小的主要原因;经SEM图片分析,大孔隙占总孔隙面积的比例随冻融次数的增加而减小;盐渍土中CaCl2溶液的含量对冻融循环中黏聚力的变化有重要影响。     

冻融循环作用下木质素磺酸钙改良黄土的力学特性研究

木质素磺酸钙作为一种绿色环保的改良材料,近年来被应用于土体加固领域。为探究木质素磺酸钙对黄土的固化效果,通过开展侧限浸水压缩试验、冻融循环试验、不固结不排水三轴剪切试验、扫描电镜试验和X射线衍射试验,分析冻融循环次数、掺量和围压对木质素磺酸钙改良黄土力学性质和微观机理的影响规律。研究结果表明：掺入木质素磺酸钙,可有效消除黄土的湿陷性。此外,改良黄土的应力-应变曲线随木质素磺酸钙掺量的增加向一般硬化型转变,而随着冻融循环次数的增加,应力-应变曲线向弱硬化型转变。改良黄土的破坏强度随木质素磺酸钙掺量的增加呈先增大后减小的趋势,木质素磺酸钙掺量为1%时破坏强度最高,各掺量改良黄土随冻融循环次数的增加先减小后趋于稳定,同时抗剪强度指标呈现下降的趋势。通过扫描电镜试验和X射线衍射试验,发现改良黄土内部有胶结物生成并填充了土颗粒间的孔隙,使土体密实度提高,进而提高土体强度;而冻融作用导致土颗粒的接触方式由面-面接触向点-点、点-面接触过渡。此外,木质素磺酸钙改良黄土中未发现有新的矿物成分生成,且冻融作用未造成土体矿物成分的消解。     

考虑含水率影响的非饱和原状黄土冻融强度试验研究

提出了用于非饱和原状黄土增湿的蒸汽增湿方法,给出了蒸汽增湿试验步骤,通过对比试验分析确定了适宜的试验参数,从增湿后水分分布是否均匀、土体密度是否改变等方面论证了蒸汽增湿方法的有效性。对含水率的测试结果表明,微波炉法测试结果能满足精度要求,酒精燃烧法在测试较高含水率时误差较大。进一步应用蒸汽增湿法得到的不同含水率原状土样测定了非饱和黄土冻融后的强度指标,揭示出当非饱和原状黄土含水率过低时,冻融作用对黄土的粘聚力值基本没有影响,当含水率较高时,经历冻融循环后黄土粘聚力值较冻融前降低,冻结温度越低以及冻融循环次数越多,降低值越大。经历冻融循环后黄土内摩擦角值较冻融前增加,冻结温度越低,增加值越大。在含水率较低时冻融循环次数几乎不引起内摩擦角值发生变化,在含水率较高时冻融循环次数越多,引起内摩擦角增加值越大。     

冻融循环作用下黄土无侧限抗压强度和微观规律的试验研究

青海地处多年冻土地区,属于青藏高原大陆性气候带,冻融循环是路基和地基基础的一种常见破坏因素,为研究冻融循环作用对青海地区实际工程的影响,揭示冻融循环作用对其损害的机理,通过对青海西宁地区原状黄土和重塑黄土进行冻融循环试验、无侧限抗压强度试验和电镜扫描试验,分析不同冻融温度和不同冻融循环次数对原状黄土、重塑黄土无侧限抗压强度和微观结构的影响。结果表明:当黄土经历0～6次冻融循环时,原状黄土和重塑黄土的强度逐渐降低,而8～10次冻融循环后其强度先增大后趋于稳定;原状黄土的强度随冻融温度降低而降低,而重塑黄土的强度随冻融温度降低先增大后减小;从微观角度分析,冻融温度的降低和冻融循环次数的增加,均导致黄土大颗粒逐渐分解为小颗粒,颗粒的排列方式发生改变。     

盐渍土与盐溶液冻结温度关系的试验研究

通过不同降温方式的冻结温度试验,明确了降温速率对土体冻结温度的影响,并采用快速降温方法,测定了不同含水率的三种天然氯（亚）盐渍土和黄土的冻结温度,以及不同浓度Na₂SO₄、NaCl溶液和由溶液配制的黄土的过冷温度和冻结温度,分析了降温速率、含水率、含盐量、盐类对土和溶液相变过程的影响。结果表明,快速降温得到的冻结温度值比缓慢降温得到的值偏低。当含水率低于盐渍土的塑限含水率时,水分是冻结温度的主要制约因素;当含水率大于土的塑限含水率时,天然盐渍土的含盐量对土的冻结温度起控制作用,Na₂SO₄含量控制含盐土的第一次相变,NaCl含量控制含盐土在低温下的第二次相变;低含盐量黄土含水率低于塑限含水率时,冻结温度随含水率增大而增大,但当含水率高于饱和含水率时,冻结温度随含水率变化不大。含Na₂SO₄的土和溶液的过冷温度变化规律与冻结温度变化规律类似,且其温度差值较小,通过Na₂SO₄溶液的冻结温度试验,可近似得到同浓度下含水率为16%只含Na₂SO₄黄土的冻结温度。     

硫酸钠盐渍土土-水特征曲线的试验与理论研究

土-水特征曲线（SWCC）在非饱和土力学中扮有重要的角色,是非饱和土力学研究的核心问题。以西北地区黄土中含有的典型硫酸钠盐为变化因素,采用滤纸法测得了兰州黄土及不同含盐量黄土状硫酸钠盐渍土的基质吸力并绘制土-水特征曲线,通过试验测试和理论分析来解释硫酸钠盐分对黄土状硫酸钠盐渍土基质吸力的影响规律,以期为工程实践提供一定的理论依据。结果表明：相同含水率下硫酸钠盐渍土的含盐量越高,基质吸力越大。以非饱和土力学理论和表面物理化学理论为基础,考虑了土中的盐分对基质吸力的毛细部分及吸附部分的影响,得到了土中含盐量与基质吸力关系的半经验公式。利用该公式计算得到不同含盐量硫酸钠盐渍土的土-水特征曲线,计算曲线与试验曲线吻合程度较高,表明该公式可以很好地描述盐渍土中不同含盐量与基质吸力的关系。     

冻融循环条件下粗砂岩物理力学性质变化规律

岩体经受自然冻融循环过程后,其物理力学性质的劣化是引起岩石工程灾害的主要原因。借助于MTS815液伺服岩石试验系统对经历不同冻融循环次数的粗砂岩进行三轴压缩试验,研究经历不同冻融循环次数后岩石在不同围压下的强度和变形特性,分析冻融循环次数和围压对岩石强度和变形的影响规律。研究结果表明,在冻融循环次数一定的条件下,随着围压的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量和峰值轴向应变逐渐增加,表明粗砂岩的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏变化;在围压相同的情况下,随着冻融循环次数的增加,岩石的三轴抗压强度、弹性模量逐渐减小,峰值应力对应的轴向应变逐渐增加;随着冻融循环次数的增加,粗砂岩的黏聚力均呈指数衰减形式降低,内摩擦角变化很小。      

冻融循环条件下水泥固化铅污染土强度模型研究

以冻融循环条件下水泥固化铅污染土为研究对象,通过室内试验研究冻融条件下水泥固化铅污染土的抗压强度特性。试验结果表明：水泥固化铅污染土的强度随水泥掺量增大而增大,随冻融循环次数的增加先略微增加,达到峰值后,随冻融循环次数的增加而快速减小,最后趋于稳定。随着冻融循环次数的增加,不同铅离子浓度的固化铅污染土的强度损失量不同,并表现出在相同水泥掺量下,铅离子浓度为0.5%的固化污染土抗压强度损失量最小。通过回归分析,建立了水泥固化铅污染土强度随冻融循环次数变化的预测模型,为实际工程提供理论参考。     

细粒硫酸钠盐渍土盐冻胀特性试验研究

为探究温度与硫酸钠含量对细粒硫酸钠盐渍土盐冻胀率及盐胀占比的影响,取兰州黄土作为素土人工配盐,用平衡公式进行理论推导,并设计了室内试验对其进行验证。结果表明：当压实度为92%、含水率为最优含水率16.8%时,随着含盐量的升高,细粒硫酸钠盐渍土的冻结温度随硫酸钠含量的增大而降低,且随着温度的降低,盐胀率的变化趋势与盐冻胀率基本一致。在冻结温度以下至-5 ℃盐胀发展速度最快,在-5 ℃以下盐胀率增长很小;在压实度为92%、含水率为最优含水率16.8%条件下,在硫酸钠含量不变时,温度越低,盐胀占比越大;温度不变时,硫酸钠含量越高,盐胀占比越大,在冻结温度以上盐胀占比为100%,但当温度降至-3~-4 ℃时盐胀占比降到50%,在-10 ℃以下盐胀占比基本保持不变。     

天然盐渍土冻融循环时水盐迁移规律及强度变化试验研究

通过对新疆喀什地区12处天然盐渍土室内基本性质试验分析,选取典型天然盐渍土,在开放系统中进行反复冻融循环条件下的试验研究。研究了天然盐渍土在多次冻融循环时的水分和盐分迁移规律及强度变化特征。试验结果表明:经多次冻融循环,低液限粘土试样水分重分布与盐分重分布有很大的一致性,水分和盐分自下而上迁移;试样粘聚力自下而上线形减小,内摩擦角呈s形分布。含砂低液限粘土试样冻融循环过程中,易溶盐均随水分向冷端面迁移,离子剖面呈现中间大两端小的趋势;试样粘聚力呈反s形分布,内摩擦角均呈s形分布。     

粉煤灰土冻融循环后的动力特性试验研究

为研究粉煤灰土作为路基填料的可行性，把易液化的粉煤灰和易冻胀的粉质黏土按干重1：2混合，通过冻融循环后的动三轴试验，研究了粉煤灰土的动力特性，得出了动强度和循环荷载次数及冻融循环次数的数量关系，以及动模量与动应变及冻融循环次数的关系曲线。研究表明，粉煤灰土经过3次冻融后的动力性能指标优于粉质黏土，具有良好的抗冻性及稳定性，可以作为季冻区路基填料。     

冻融作用下污泥固化轻质土动力特性及结构演化

冻融作用会影响污泥固化轻质土动力特性和结构特性。为研究不同冻融循环次数和冻结温度下的污泥固化轻质土动力特性及结构演化,对冻融循环作用后的污泥固化轻质土进行动三轴试验和固结试验。试验结果表明:在冻融循环作用下,污泥固化轻质土动应力-应变曲线呈弱应变硬化型。污泥固化轻质土动强度和变形随着冻融次数（n）的增加和冻结温度（T）的降低而减小。经历前4次冻融作用后,对固化土变形和动强度影响较大,经历8次冻融循环后基本趋于稳定。冻融循环对土体动力特性的影响本质上是对土体结构性的影响。固化土冻融结构势（m_dσn）的变化规律与动强度类似,随冻融次数的增加和冻结温度的降低而下降。冻融循环次数是影响污泥固化轻质土动力特性和结构性的主要因素,冻结温度为次要因素。     

冻融岩体力学特性实验研究

岩石的冻融破坏是寒区岩石工程中常遇到的主要病害之一。通过对3种岩石进行冻融循环试验及电镜微观扫描的方法,研究了不同性质的岩石在冻融条件下的劣化损伤机制,分析了其冻融破坏机理; 并针对不同性质的岩石总结提出了2种不同的冻融劣化模式:裂隙扩展劣化模式和颗粒析出劣化模式; 通过不同冻融循环次数后的3种饱和岩石单轴抗压强度试验,得到了不同性质岩石的单轴抗压强度与冻融循环次数的拟合关系表达式,初步量化了循环冻融对寒区岩石强度衰减的影响,具有一定参考价值,为今后岩石冻融劣化研究和寒区工程建设及工程安全运营提供了可靠的依据。     

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。     

露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析

为了科学评价冻岩露天矿边坡稳定性,并采用有效措施保证冻岩边坡工程的安全建设和运营,分析了岩石在不同温度条件下多个物理力学参数的变化规律,结果表明,冻结态使岩石的强度得到一定的提高,而冻融循环使岩石的强度产生一定的削弱。由于岩体具有介质和结构的双重属性,冻融循环作用对岩体的介质和结构面损伤均较显著,可以通过改进的Hoek-Brown岩体强度准则分析冻融环境中的岩体强度。基于木里聚乎更矿区冻岩露天煤矿边坡的调查分析,总结归纳了该区冻岩边坡的破坏现象和类型,在冻融循环作用下冻岩边坡的破坏模式基本为浅表部的渐进式破坏。