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冻融作用是冻土工程领域的一个重要研究课题。受冻融过程中冷生作用的影响,土结构的变化会导致其物理力学性质发生相应的改变。在寒区进行路堑开挖、边坡维护和路基修建等工程活动时,土体会暴露于冻融作用之下,在相关的变形和稳定性分析中,必须充分考虑其物理力学性质的变化。因此,对土体冻融力学效应的研究不仅具有较高的科研价值,同时也具有较强的现实意义。
针对当前土冻融循环的力学效应研究相对薄弱的现状,本文以青藏粉质粘土和西安黄土的原状土和饱和重塑土为研究对象,以干密度、冻融周期和补水条件为影响因素,展开一系列的冻融循环试验。在冻融过程中,测量土样电阻率的变化,以此来反映冻融作用引起土中孔隙的改变;在冻融前后对土样分别进行CT扫描,并定量分析土样的损伤程度。对冻融前后的土样进行不固结不排水三轴试验,得到其强度参数,并将冻融作用引起的结构变化与强度参数的变化建立联系。试验表明,无论土处于何种初始状态,冻融都使其电阻率增大。这是冻结过程中分凝冰导致孔隙增大,融化后这些大孔隙一定程度上存留在试样中,同时引起孔隙管道的平均长度增加,孔隙扭曲率下降的结果。反映到强度参数上,冻融作用导致土的内摩擦角增大。CT扫描定量分析发现,冻融后初始密度较小的土样,密度增大,CT损伤为负值,对应黏聚力增加;初始密度较大的土样,密度减小,CT损伤为正值,对应黏聚力减小。强度参数的变化是土结构变化的结果,与土颗粒的胶结和重排列,粒径重分配以及孔隙大小比例的变化有关。本文首次利用电阻率的变化特征和CT损伤变量对土体的结构性进行分析,解释了冻融作用对土强度影响的机理。