为研究冻融循环作用对冻土–混凝土界面冻结强度的影响,对不同冻融循环次数、法向应力、试验温度及土体初始含水率条件下的冻结界面进行了系列直剪试验,研究经历冻融循环后界面峰值剪切强度、残余剪切强度及强度参数的变化规律。试验结果表明:冻融循环对界面剪切应力与水平位移曲线形态影响很小,经历20次循环后曲线仍是应变软化型。冻融循环对峰值剪切应力的影响强于对残余剪切应力的影响,表明其对界面胶结冰含量产生影响。当土体初始含水率较低且温度较高时,冻融循环使界面峰值剪切强度增加,但变化量较小。然而在含水率较高(20.8%)及试验温度较低时(-5℃),峰值剪切强度随着冻融循环增加而降低。因此在土体含水率较高且冻结温度较低时,对于发生小变形的冻结界面需要重视冻融循环对峰值剪切应力的影响。不同初始含水率、试验温度下冻融循环对残余剪切强度的影响较小且变化规律不明显。在试验温度为-1℃,-3℃,-5℃时,峰值黏聚力随冻融循环增加分别表现为增加、波动和下降,推测是由于界面胶结冰含量不同而引起。峰值摩擦角和残余摩擦角随冻融循环次数增加略有变化。

在高寒区水利工程中,冻土与混凝土接触界面的力学特性对于衬砌的稳定性和长期服役性能有着重要的影响。为研究冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理,开展了试验温度为-1～-5℃,初始含水率为9.2%～20.8%,法向压力为50～300 kPa条件下冻结黄土-混凝土界面直剪试验。通过研究界面剪切应力-位移曲线特征,结合摩尔库伦强度理论,将峰值强度分解为残余强度和界面冰胶结强度,对冻土-混凝土界面冻结强度形成机制进行解释。相应将界面黏聚力分解为峰值强度黏聚力和残余强度黏聚力,界面摩擦系数分解为峰值强度摩擦系数和残余强度摩擦系数。结果表明:界面冰胶结强度随着试验温度下降而增大,但受法向压力影响很小。在初始含水率为13.1%,法向压力100 kPa时,试验温度由-1下降至-5℃,冰胶结强度由4.4增加至111.1 kPa。界面残余强度随着法向压力增大而增加,但受试验温度影响很小。在含水率20.8%,试验温度-5℃时,法向压力由50增加至300 kPa,残余强度由34增加至177 kPa。界面峰值强度黏聚力随温度的降低呈指数增长,在含水率13.1%时,温度由-1下降至-5℃,峰值强度黏聚力由35.09...

为探究冻土与结构接触面冻结强度影响因素及其影响规律,依据接触面冻结强度传统定义,应用压桩法原理研制冻土与结构接触面冻结强度测定系统,并利用该系统开展多影响因素条件下接触面冻结强度测定试验研究。试验研究表明:冻土与结构接触面冻结强度呈现脆性破坏及应变软化,残余强度呈周期性波动及衰变等典型特征;冻土与结构接触面冻结强度受接触面温度和粗糙度影响显著,在试验温度范围内,分别呈线性和对数函数关系。利用埋设于抗压桩身侧面的微型土压力传感器,揭示了接触面压应力沿桩身分布规律,以及接触面压应力随冻结时间、剪切位移变化规律,并将其与接触面温度、冻结强度等变化规律进行对比分析和验证。

土与结构接触面的研究一直以来是岩土工程研究的热点之一。为研究位山灌区渠系工程冻害破坏问题,开展了不同盐类型、不同含盐量、不同含水率条件下渠道下卧盐渍土-混凝土衬砌冻结接触面直剪试验研究。结果表明:冻结状态下接触面的应力-位移破坏性状呈脆性破坏,存在明显的峰值应力;剪切变形包括线性变形和非线性变形,线性变形随含水率和含盐量的增大而减小,非线性变形随含盐量的增大而增加;剪切模量随含水率的增加而提高;随含盐量的增加而降低;抗剪强度随含水率的增加而增大,随Na Cl含盐量增加而降低,随Na2SO4含盐量增加先降低后升高;通过对变形能的分析发现,含水率w=14.7%和w=16.7%时具有相似特征,即Na Cl含量为0.5%时,曲线存在极(最)小值。

现浇混凝土-冻土接触面传热特性直接影响灌注桩表面冻结强度,研究现浇混凝土-冻土接触面传热特性影响因素对冻土区桩基础设计和施工具有重要意义。基于小型模型桩试验条件建立数值模型,开展混凝土浇筑过程中混凝土-冻土接触面传热特性研究,分析了混凝土浇筑温度、水胶比、冻土温度、冻土含水量引起的接触面热流和温度变化。结果表明:浇筑温度由5℃升高至30℃,0.5 h混凝土与冻土接触面热流增大381.2%.水胶比由0.4增大至0.6,0.5 h接触面热流减少23.7%.接触面温度随冻土含水量的增大呈先增大后减小趋势,峰值在冻土液限附近。导热系数和相变热作用的转变起到了决定作用。冻土温度在-1-3℃之间降低时,接触面温度随冻土温度降低而升高。浇筑后0～1 h（尤其是0～0.5 h）是混凝土对冻土释放热量的主要时间。

全面掌握冻土与结构接触面冻结强度研究进展,是进一步深入开展冻土与结构接触面冻结强度研究的前提。首先,从接触面冻结强度定义、接触面冻结强度剪切试验仪器研发、动静荷载作用下接触面冻结强度试验、接触面冻结强度数值模拟等多个角度系统归纳接触面冻结强度方面的最新研究成果。其次,通过对比不同接触面冻结强度剪切仪,指出现有试验仪器的不足,提出接触面冻结强度成因及破坏机理缺乏深入揭示的原因,讨论现有冻土与结构接触面单元模型、接触面冻结强度预测方法等方面存在的问题。最后,提出研发改进冻土接触面冻结强度试验仪器以更好模拟实际工况的展望,指出应当运用冻土微观结构研究手段深入揭示接触面冻结强度成因及破坏机理,建议结合试验和理论推导构建更为合理的冻土与结构接触面单元模型,阐述以多影响因素试验为基础探寻更为完善的接触面冻结强度预测方法。通过国内外研究现状、存在问题及其发展趋势分析,为冻土与结构接触面冻结强度研究以及冻土区地下工程设计和隧道工程人工冻结加固等方面提供参考和指导。

为探究冻土与结构接触面次峰值冻结强度影响因素、影响规律及其预估方法,选取南京河西地铁施工区域典型粉细砂为试验土样,利用改进后的大型多功能冻土直剪仪,开展多影响因素条件下的冻结强度直剪试验研究。在对次峰值冻结强度定义和量化标准约定的基础上,研究发现极限峰值后剪应力陡降、峰后剪应力周期性变化、软化衰变等典型变化规律。将次峰值冻结强度与接触面温度、粗糙度、法向应力拟合后发现其分别呈反比例线性、二次抛物线、正比例线性关系。通过关系数据库管理软件数据挖掘,得出次峰值冻结强度关键影响因素及大小依次为接触面法向应力、粗糙度,而接触面温度为非关键影响因素。经多元非线性回归,构建了耦合接触面温度、法向应力及粗糙度三因素的次峰值冻结强度预估模型,可为人工冻土区或天然冻土区冻结加固设计、盾构法施工、地下结构物设计等提供冻结强度参数选取依据。

为从更多角度、更准确进行冻土接触面力学性能试验研究,对原冻土直剪仪进行多功能改进完善:对温度采集、位移测量、冻土盒装卸等装置进行改进,使冻土直剪仪能更好地满足冻土接触面力学性能试验要求;在原冻土直剪仪基础平台上集成冻土接触面冻结强度试验、冻土界面层力学特性试验模块,满足多功能试验要求;新功能开发采用模块化设计,注重各功能模块的兼容性和功能切换的方便性。试验结果表明改进后的冻土直剪仪能满足冻土接触面冻结强度、接触界面层力学特性等多功能试验要求,试验数据稳定可靠。

关于混凝土-冻土接触面的力学强度研究多集中于预制成型混凝土样(块)与冻土接触面的力学试验研究,而与工程实际更为接近的冻土中现浇混凝土、冻结稳定后混凝土-冻土接触面的力学强度研究则少有涉及。基于冻土中现浇混凝土的试验方式,开展了不同水灰比、含冰量及冻土温度条件下,混凝土-冻土复杂接触面冻结强度的直剪试验研究。结果表明:试验条件下,由于混凝土中粗、细骨料导热系数及水化热侵蚀强度不同,冻土中现浇混凝土会导致混凝土-冻土接触面发生起伏变化。受该因素影响,粗糙接触面较光滑接触面的冻结强度增大71.9%。粗糙接触面引起的应力集中,使得剪应力在剪切破坏过程中出现间歇性增大、跳跃。在冻结强度构成中,随接触面粗糙程度的增大,φ值对冻结强度增长的贡献要大于c值。水灰比由0.4增至0.6,混凝土导热系数降低,生成接触面趋于光滑,冻结强度减小;土体含水量由15%增大至30%时,冻结强度增大,含水量继续增大至40%时,冻结强度减小;在不同温度条件下,整体呈现冻土温度降低冻结强度相应增大的趋势。基于上述结果,多年冻土区灌注桩设计时,建议混凝土采用0.4～0.5水灰比。

随着我国寒区建筑、铁路、公路、管道等重点工程项目的大规模修建,从技术角度要求冻土与结构物共同工作体系具有良好的变形协调条件,以保证工程建(构)筑物长期工作性能,其中冻土-结构接触面特性直接影响系统的共同工作性能。从自身研究实践和对国内外该领域研究成果出发,从试验仪器、影响因素、微观结构以及本构模型方面,分别对冻土-结构接触面特性的主要研究成果进行了系统总结,分析了研究现状和存在的问题。结合对研究思路和方法论的探讨,构建了冻土-结构接触面特性研究的思路框架,提出了冻土-结构接触面研究的主要内容和方向,以期明晰研究重点和难点,理清研究思路,为该领域的深入研究提供借鉴和参考。