近相变区融冻土物理力学特性研究

近相变区的冻土是指温度介于0～-1.5℃的冻土，也称高温冻土。由于该温度区间处于冻土的剧烈相变区，冻土中冰和未冻水的比例对温度的变化十分敏感，由此导致冻土的物理力学性质具有非常强烈的不稳定性，极易在外界温度变化的影响下发生实质性的改变。冻土的周期性冻融循环会引起土体中冰、水和汽相之间发生转变，同时导致土体中水分的重分布，这个复杂过程势必会造成土体力学-热学性质发生剧烈的变化，产生冻胀和融沉病害，严重影响寒区各类工程的稳定性。本项目以近相变区融冻土物理力学特性研究为重点，围绕土体融化状态时（0℃）的融沉和固结过程、冻结相变区（冻结缘区）土体结构性、已冻结状态下的高含冰量冻土的压缩强度与变形和近相变区冻土综合变形分析研究，通过测试方法和手段的创新，力争在高温冻土变形机理、冻胀和融沉预报等方面有所突破，为多年冻土区青藏铁路、青藏高等级公路、输油管线等基础变形、稳定性预测、评价等提供理

项目的研究按计划进行，具体情况如下：.（1）建立了大变形融化固结数值模拟平台,并进行了路基融化沉降季节性发展规律研究，发现冻土路基的固结度随时间的发展呈现出持续降低的规律，且固结度降低速率与路基的融化固结率存在良好的幂函数关系；研制了适用于不同层位土体孔隙水压力测量的融化固结测量装置，实验结果表明，融化过程中，孔隙水压力在初期增长到一定数值后保持恒定，在土样完全融化后孔压开始消散，冻土侧压力系数随压力的增大持续升高。.（2）研制了能在冻结条件下使用的孔隙水压力探头，由陶土头、酒精媒介和压力传感器组成，利用此探头测试了土体中的孔隙水压力；实验结果表明冻融过程中孔隙水压力变化受过冷、温度、冻结速率、饱和度、冻融循环、补水条件及土质等多种因素的影响，正冻过程中未冻区的固结由压密固结和真空固结组成，在冻结初期以压密固结为主，后期以真空固结为主；另外，引进了约束力的概念，对冰分凝机制进行了拓展，指出冰分凝过程依赖驱动力和约束力，当驱动力大于约束力时骨架破裂以及冰分凝。最后，对描述冰-水相变的广义克拉伯龙方程及其适用性进行了详细的分析，发展了冻结缘动态模型，建立了冻胀以及冻结缘过程的理论框架。.（3）研制和标定了微型冻土基质势探头（pF meter），进行了青藏粉质粘土冻结和融化过程中水分迁移机理试验，建立了未冻水含量、基质势和温度关系表达式；另外，还进行了高压力作用下土的冻融结及变形研究。.（4）进行了荷载作用下高温冻土的变形机理研究，实验结果表明，在外荷载的作用下高温冻土中存在着超孔隙水压力的增大与消散过程，说明了固结过程的存在；高温冻土的孔压消散规律与融土不一样，压力作用下，融土中的孔压立即达到峰值，而冻土需要一定的时间才能达到，融土中孔压的消散过程是规则且圆滑的，而冻土孔压的消散曲线却复杂得多，融土中孔压只需要几个小时就基本消散完成，而冻土却需要几天甚至几十天才会完成；另外，进行了高温高含冰量冻土的强度与变形综合研究，实验结果表明，随总含水量的增大，高含冰冻土的单轴抗压强度表现出了先增大后减小的特性，随温度的降低和剪切速率的增大，其非线性增强。随总含水量的增大，初始切线模量在较小应变率情况下基本呈现出非线性增大的趋势；但当应变率较大时，在较高含水量下，切线模量表现出了衰减特性。.研究成果主要反映在发表的48 篇论文、1本专著、2篇博士论文、2篇硕士论文以及3个发明专利中