1 绪论
1.1 选题的背景及意义
1.1.1 选题背景
我国多年冻土分布广阔，主要分布在青藏高原、东北大、小兴安岭和松嫩平原北部及西部高山等地，总面积约 215 万平方公里，其中青藏高原是世界上最具代表性的高海拔多年冻土区，总面积约 150 万平方公里，约占我国国土总面积的 16%，多年冻土总面积的 75%。青藏高原平均海拔 4500m 以上，大气含氧量只有内地（海平面）的 50%，冰冻期长（一年约 8 个月），年平均气温低（-2℃～-6℃左右）。高原气候变化无常，紫外线强烈，被世人称为“地球第三极”[1]，我国多年冻土区分布如图 1.1 所示。多年冻土水热稳定性差，对环境气候和人类基础工程活动的响应十分剧烈，对外界温度、水分变化以及工程构筑物的尺度十分敏感[2-3]。高原多年冻土区公（铁）路建设与其它地区相比，最大区别在于工程结构物坐落于多年冻土上（中），并以多年冻土作为构筑物的重要组成部分。
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1.2 本课题研究领域国内外的研究现状及发展趋势
近年来随着我国科研能力的飞速发展和大量冻土区工程建设的需求，关于冻土的研究正逐步补缺完善。结构周围土体性质直接影响结构-土界面的力学性质，尤其是冻结土石混合体在热融过程中的强度变化显著，与基础的稳定性和承载力具有密切关系。
1.2.1 冻土区土石混合体特性研究现状
（1）寒区冻土研究现状分析
多年冻土和土石混合体本就是两种特殊的工程地质体。冻结土石混合体因其本身具有冻土和岩石的二元要素特征，比单纯的冻土和岩石对抗剪指标影响更为复杂。在冻土力学领域，对冻土的强度特性的研究是比较充分全面的课题之一。温度、含水率、土干重度及含冰量都是影响冻土强度的重要影响因素，其中温度对冻土的力学行为有直接影响。一方面，冷冻土壤的温度决定了冰和未冻结水含量，另一方面影响了粒间冰的强度。
Haynes 等[7]通过直接剪切试验，发现在一定温度范围内，冻土的强度随着温度的降低而增加。Brag 等[8]提供了温度与冻土抗压强度之间的关系。发现压缩峰值强度和初始切线模量随着温度的降低而增加。Santander 等[9]认为冻土内部温度场、湿度场及应力场是一个相互影响、相互作用的过程。常小晓等[10]以冻结砂土为研究对象，开展原状冻土和重塑冻土的强度试验，发现低温冻结砂土的抗压强度随应变速率增大而增大，变形由塑性破坏向脆性破坏转变。赖远明[11]等以冻结砂土为研究对象，开展低温条件下的三轴剪切强度试验，得出如下结论：温度为-0.5℃时，偏应力随含水率的增加而明显增大。当温度为-1.0℃时，偏应力随含水率的增加呈现先减小后增大的规律。当温度高于-2℃时，围压对抗压强度的影响不明显。胡凯等[12]针对含盐冻结砂土进行了-2℃的三轴试验，发现低围压下，强度随围压增大而增大，强度随围压增大而减小，即存在压融现象。赵景峰等[13]采用承载比试验仪获得了-1℃条件下不同初始含水率下冻土的抗拉强度，得出抗拉强度随初始含水量的增加而降低的趋势。Akagawa 等[14]采用特殊的哑铃型试样开展了冻结缘温度范围内的抗拉试验，试验结果离散性较差，没有明显的规律性。Tang 等[15-16]基于冻土电阻率变化准确测试了冻融过渡段的未冻水含量，指出未冻水含量对冻融土力学性质影响。曹莹莹等[17]以青藏粉质粘土为研究对象，开展了一系列三轴试验，发现抗压强度随含水量增加而降低。Ting 等[18-19]提出冻土强度发挥主要依赖于冰晶体强度、土颗粒骨架强度以及冰-土之间的粘结强度三个方面。冰的存在是冰冻土从未冻土中分散的主要因素。冰键将固体颗粒结合在一起，改变土颗粒组分之间的相互作用，对土颗粒的力学行为产生很大影响。
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2 正融过程界面剪切试验方案及方法
2.1 试验方案
根据青藏铁路格拉段改建扩能工程穿越的站点（南山口、可可西里、风火山、唐古拉、雪查玛、罗玛、桑列）多年冻土层进行调研发现其穿越层冻土多为土石混合体，以“角（圆）砾石+粉质黏土”为主，含石率为 20～50%为主。所以本次试验考虑 4 种不同含石率 0%、15%、30%和 45%，取 4 种不同初始含水率 15%、18%、21%和 24%。正融过程中取 7 个不同温度点分别为-15℃、-5℃、-3℃、-1℃、0℃、5℃、15℃，试验所施加的法向荷载分别为 100kPa、150kPa 和 200kPa，最终确定 48 组不同组合体试样。在正融的6 个温度（-15℃剪切失败）情况下进行直剪试验，具体工况分组如表 2.1 所示。
本文含水量所指皆为细料的含水量，因为对于砾石来说，其吸水量很小，饱和时得到的试验结果为5～8%。因此为了配样方便，我们以细粒土的多少来确定试样的含水量。为了防止碎石从土中吸水而影响土的含水量，配样时将碎石的含水量取为定值，按 5%进行配置[88-89]。对于不同含石量的级配控制，首先对所取土样进行颗分处理，然后按照含石量从低至高的顺序，进行不同含石量重塑样的配置。根据各粒径组含量分别称量配置，在土样 15%含石率的基础上增加相应粒径组直至达到所需质量比[90]。
直剪试验为了减少土石混合体的尺寸效应，进行剪切盒大尺寸的改装。探究在不同含石率、含水率和正应力工况下冻结土石混合体与混凝土结构界面在升温解冻过程力学特性的变化规律。同时采用低温核磁共振试验系统分层测试正融过程中冻结土石混合体与结构界面处的未冻水含量变化，并与强度建立一定关系。结合力学测试结果和试样剪切破坏前和破坏后的表观特征，提出剪切错动带区域划分，并考虑破坏面土侧和混凝土侧界面性状差异产生的结合阻抗对正融劣化的反馈效应，探究不同碎石含量在现浇混凝土一侧的嵌固特征。基于正融过程冻结土石混合体强度概化分析模型，对摩尔库伦准则进行修正，综合试验结果和理论分析碎石含量和初始含水率对冻结土石混合体-结构界面强度劣化影响机制。
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2.2 试验材料
本试验中土石混合体试样所需材料为粉质黏土和碎石，细粒土为青藏典型粉质黏土，通过液塑限测定（图 2.1）等室内基本物理实验获取土颗粒的物理参数，细土颗粒的基本物理参数如表 2.2 所示。本文工程背景位于青藏风火山附近的土石混合体桩基础工程，桩基为挖孔灌注桩。勘察报告中碎石：灰色、褐黄色，成份以砂岩、石英岩、花岗岩为主，磨圆度较差，尖棱状。粒径 20～60mm 约占 45%，大于 60mm 约占 15%。
碎石用编织袋盛装，分别置于实验室阴凉处，土石材料如图 2.2 所示。土、石颗粒具有不同的物理力学性质，土、石粒径界限的准确划定对于土石混合体的力学行为研究具有重要意义。而土、石阈值由模型试验的尺寸决定[91]。在小规模尺寸下的研究中小颗粒可能控制土石混合体的力学行为，而规模变大时这些颗粒将不会对其宏观力学特性造成影响。
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3.1 冻结土石混合体-结构界面正融过程温度变化研究 ........................ 25
3.2 含石率对正融过程中冻结土石混合体-结构界面抗剪强度影响分析 ................... 28
4 正融过程中界面力学特性及机制分析 .................................. 38
4.1 正融过程冻结土石混合体-结构界面未冻水与抗剪强度规律分析 ....................... 38
4.1.1 正融过程界面温度-未冻水含量变化规律 ................................ 39
4.1.2 正融过程界面未冻水-抗剪强度变化规律 ............................... 40
5 结论与展望 ......................... 54
5.1 主要结论 ................................. 54
5.2 研究展望 ............................ 55
4 正融过程中界面力学特性及机制分析
4.1 正融过程冻结土石混合体-结构界面未冻水与抗剪强度规律分析
冻土中冰和未冻水之间的相互转化是导致冻土物理力学性质不稳定的一个重要因素，含水土层水分迁移正是在温度梯度作用下以未冻水或者薄膜水的形式发生运动。因此，冻土中未冻水含量的研究分析对于理论研究和工程实践都具有重要的意义。目前 NMR在冻土的未冻水测试应用方面具有直接性和无损性，单次测试时间短，试样扰动小。但现有研究只是针对一元土体介质中的测试，本次研究中对冻结土石混合体-结构多元复杂介质进行未冻水测试，而且重点获取土石混合体与混凝土界面处未冻水及界面处一定范围内未冻水含量。结合分层测试技术对冻结土石混合体-混凝组合体试样进行未冻水含量测试，界面未冻水分层测试示意图如图 4.1 所示。
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5.1 主要结论
近年青藏高原年平均气温上升，加之人类工程活动加剧，出现季节活动层增大、土层温度升高等现象，预示未来青藏高原冻土将大幅度退化。冻土退化引起整体结构稳定性下降及工程失效是寒区工程建设需要面对的重大问题。本文通过探究正融过程冻结土石混合体-结构界面剪切强度变化规律及各影响因素对界面强度劣化影响分析，从而明确正融过程冻结土石混合体-结构界面剪切强度损伤劣化机制。
（1）在相同的时间内，含石率高的冻结土石混合体升温速度会越快。且相同含石率下，含水率越高，突破相变温度所需时间越长。在相同的含水率下，不同含石率的试样界面在-15℃～-5℃负温区间解冻所需时间差异性小，土石混合体导热系数处在基本稳定阶段。界面升温至-5℃～0℃负温区间，冻结土石混合体处于冰水相变区，导热性良好的冰逐渐被水取代成为固体颗粒间桥梁，从而导致土石混合体的导热系数迅速降低。但在升温至-5℃以后不同含石率的试样界面温度差异性逐渐凸显。尤其是当试样冰晶体完全相变为水时，碎石作为传热介质的优势就更加显著。
（2）在正融过程中不同含石率的界面抗剪强度总体变化规律相似，即冻结土石混合体-结构界面抗剪强度随着升温解冻逐渐降低，大体分为三个阶段，即初始降低阶段一（-5℃～-3℃），极速降低阶段二（-3℃～0℃）和持平阶段三（0℃～15℃）。在四种含水率下，初始含水率24%的界面在阶段一（-5℃～-3℃）时强度最大，但是在阶段三（0℃～15℃）正温区间强度变为最小。不同含水率下的界面强度会随着正融在阶段二存在一个强度“分水岭”。含水率越大的强度曲线在经过此点后仍会快速下降，但是含水率较低的曲线过了此点后强度下降速率变缓，直至超过高含水率的强度。且“分水岭”随着含石率增加呈现向低温和高强度的二维方向移动的态势。在相变阶段界面正应力的增加对抗剪强度的影响减弱且出现聚集现象，可知此时界面处于极不稳定状态。
（3）基于温度-未冻水含量-抗剪强度相关关系，可将冻结土石混合体-结构界面整个正融过程划分为三个阶段。冻结阶段Ⅰ：主要表现为界面处未冻水含量上升小、界面冰晶含量高、试样仍处于冻结状态界面冻结强度大。相变阶段Ⅱ：未冻水含量开始迅速上升，同时界面抗剪强度出现大幅降低。融化阶段Ⅲ：试样融化程度继续加深，此时界面冰晶全部融化未冻水试样进入完全融化阶段，相应抗剪强度的降幅也逐渐减小，并逐渐趋于稳定。
参考文献（略）