黄土地区受季节性气候变化和昼夜交替引起冻融循环效应，导致黄土的结构和物理性质发生变化，从而影响黄土的湿陷变形特性。通过室内湿陷试验和微观结构试验，分析了冻结温度对微观结构损伤规律与宏观湿陷变形的响应是否一致。研究结果表明：控制水分场不变情况下，发现不同冻结温度在相同冻融次数条件下，湿陷变形量随冻结温度的降低逐渐减小，说明冻结温度决定冻结速率，冻结速率的快慢变化影响黄土湿陷量的大小；通过对冻融循环10次黄土进行微观结构试验，定性分析发现随冻结温度的降低，土体内部水分发生水-冰循环相变及冷生结构的生成，使土团粒之间胶结力弱化，骨架颗粒发生偏转、滑移，土体内部的颗粒形态、连接方式及分布排列方式均发生变化并形成新的稳定结构；定量分析发现概率熵、平均形状系数、分布分维、孔隙面积比例及孔径变化范围均呈现出规律性变化与定性分析结果一致。由此表明土体内部团粒、孔隙结构的变化规律印证了冻结温度的降低与黄土表现的宏观湿陷变形量逐渐减小的变化规律具有相关性。

由于周期性的冻融循环作用，中国西北黄土区路基工程极易发生冻融病害，常用的解决方法是用改良黄土作为路基填料。目前工业废弃物改性不良路基土已成为工程地基改良处理的新趋向，鉴于西北地区煤气化渣堆存量巨大且资源化利用率低，尝试用煤气化粗渣改良季节冻土区黄土，以素黄土与单掺石灰改良黄土作为对比试验组，通过室内冻融循环试验、电镜扫描、CT扫描试验来探究在冻融循环条件下煤气化粗渣改良黄土的冻融特性及其微观机理，为季节冻土区黄土路基工程稳定性及煤气化渣资源化利用提出一些新的思考。试验结果表明：（1）经历1次与2次冻融循环后，单掺15%煤气化粗渣试验组的冻胀率为0.02%与0.29%，融沉系数为0%与0.05%，素黄土、单掺4%石灰试验组的冻胀率分别为0.43%与0.63%、0.38%与0.42%，融沉系数分别为0.26%与0.22%、0%与0.13%，但在经历3次冻融循环后，单掺15%煤气化粗渣试验组的冻胀率和融沉系数开始增大，5次冻融循环周期内的平均冻胀率和融沉系数分别为0.38%与0.17%，已接近甚至大于素黄土与单掺4%石灰试验组的数值。在前两次冻融循环周期内，平均冻胀率和融沉系数较素黄土组分别...

随着西部大开发和振兴东北战略进一步深化，各种寒区工程得以大规模修建。为了保证建、构筑物的寿命，使其在服役期内能够保持正常的工作状态，要求冻土和结构物具有良好的冻结强度和稳定性，冻土-结构接触面特性是冻土力学特性最直接的反映，而接触面粗糙度是影响这一特性的重要因素。因此主要从粗糙度出发，根据国内外现有冻土-结构接触面剪切试验研究成果，从粗糙度的评定、粗糙度对力学特性的影响及其微观机理等方面进行了系统的分析；最后基于Gompertz模型构建了可考虑粗糙度影响的接触面剪应力-剪切位移本构模型，验证表明，该模型能够较好地描述接触面的剪应力-剪切位移发展规律。

为研究高寒低负温冻土地区混凝土强度增长机理，在4种不同入模温度工况下，进行高寒持续负温(-5℃)养护下混凝土水化热、强度、微观结构研究。研究表明，在持续-5℃养护条件下，水泥水化可分为早期快速水化、中期较快水化和后期缓慢水化三个阶段；从微观无害孔、少害孔、有害孔和多害孔角度分析了孔径分布对混凝土强度发展机理的影响；采取适当的入模温度是保证高寒低负温环境下混凝土强度增长的有效措施；结合试验数据，提出负温环境下混凝土不同入模温度，28 d龄期时混凝土孔隙率、不同龄期混凝土强度计算预测公式，并验证了其准确性，计算公式可为实际冻土区混凝土强度发展规律的预测、计算提供参考和借鉴。

水泥改良冻土在融化压缩下的微观孔隙演变特征研究,对了解水泥改良冻土的过程具有重要意义。将水泥改良后的冻土进行融化压缩实验,通过冷冻干燥法对试验后的土样进行电镜样品制取并获取其微观特征图像。对试验土样进行比重测试,得到土样真实的三维孔隙比。最后以真实孔隙比作参考,确定图像分割所选取的灰度值并提取其孔隙特征。结合融化压缩试验结果,对水泥改良冻土的孔隙数量、面积、定向角及丰度值随改良土压缩量的变化关系进行了分析。研究结果表明:经过水泥改良后的冻土,大孔隙结构强度增大明显;随着水泥掺量及养护龄期的增加,孔隙比与孔隙面积变大,压缩量变小;随着土体压缩量的增大,孔隙的定向角分布逐渐由均匀状向锯齿状发展;土样压缩过程中,丰度值大于0.5的孔隙发生压缩明显,孔隙逐渐趋于细长状,并且随着压缩量的增大,孔隙丰度值的分布越来越趋于正态分布。孔隙微观结构演变研究为阐释水泥改良冻土宏观力学特性增强的机制提供了科学依据。

为了研究冻融作用对木质素改良粉质黏土微观结构的影响,采用计算机图像提取与处理技术,对冻融前后的素土和木质素改良粉质黏土进行微观结构单元体、孔隙分布定性与定量分析,结果表明,木质素的掺入提升了粉质黏土的抗冻性。

我国西北内陆和东南沿海含盐土地区的大规模基础设施建设,促进了含盐冻土物理力学研究的发展。从含盐冻土的强度特征、冻融变形特性、水盐迁移规律以及细微观结构研究等4个方面,简要概述了国内外研究现状,总结了含盐冻土物理力学特性的研究进展。提出人工含盐冻土强度和变形特性研究中需增大试验负温范围,以获得氯化钠二次相变对冻土强度和冻融变形的影响规律;从冻融过程中未冻水含量、土水势、孔隙水压力和盐晶体相变等关键机制入手,研究含盐冻土的变形机理;指出现有测定水分、盐分、基质势和孔隙水压力等传感器不能满足室内试验对尺寸和精度的要求,采用微型化、精确化的传感器进行冻融过程中的水盐迁移参数监测,是建立合理的水-热-力-盐耦合模型的前提;提出可将未冻水含量作为微观尺度的孔径分布与宏观强度特性和水盐迁移模型联系的纽带,为建立微观与宏观的联系提供一种新思路。

颗粒的排列方式是影响冻土热参数的一个重要因素。为探究不同土颗粒排列形式下冻土热参数变化规律,从土微观角度对相体间排列形式及相体间热传递进行研究。冻土中土颗粒、水、冰、空气之间接触方式可分为同相体间接触和异相体间接触,接触方式影响土体热量传递效率。同相体间热量为等梯度传递;异相体间热量为非等梯度传递,而是沿着某条路径传递。依据土颗粒的两种空间排列方式,即松散排列与紧密排列并以此建立热传递模型,依据导热系数理论公式推导出基于土颗粒两种排列方式下的导热系数计算模型。空气在冻土未冻水中形成腔体,腔体的存在阻碍着热流的传递并在此基础上讨论空气含量对导热系数的影响。

冻土是高原交通工程不可回避的问题,冻土研究不仅涉及土体结构,还涉及温度和含水量对土体的影响,目前,冻土问题理论研究进展比较缓慢,是岩土领域研究的热点和难点.根据材料集合状态理论的思想和方法,建立了冻土材料的宏-微观模型.在宏观上建立了以冻土材料结构强度、刚度、塑性应变及孔隙比、饱和度、温度为参量的冻土材料结构状态集合函数的控制方程;在微观上建立了以土颗粒、冰、水为结构要素而形成的微结构元集合.通过以冻土材料的强度、刚度和结构应变为宏观约束条件,找到所有可能的微结构状态及其分布,以此为基础,建立冻土材料宏观参量与材料微观特征参数之间的关系.在一定的简化条件下,得到了冻土材料的状态集合函数的解析表达式,并由此形成冻土材料的强度准则、流动法则和应力-应变关系.

极地冷海地区具有重要的油气勘探开发价值,但常规固井水泥浆液相水分在该地区负温环境下会分凝结冰,水化反应无法进行,导致固井工作难以开展。为此,针对极地冷海冻土区负温环境下固井水泥浆不凝固难题开发了一种负温水泥浆体系,并对比研究了其在-18℃和室温环境下水化反应微观产物的区别。实验结果表明:该体系具有优良的负温固化性能,在-18℃下0.5～3 h内固化,24 h抗压强度达3.5～9 MPa,可有效解决负温条件下常规水泥浆不固化无强度难题;微观成分测试发现,-18℃下冻土区负温水泥浆的水化程度较室温下低,但水化产物中Aft含量较室温下高,这对水泥石的机械性能起到了积极作用。