冻土受力作用下细微观结构变化研究

冻土是一种由土颗粒、未冻水，冰和气体组成的具有复杂结构的特殊性土，冻土受力作用下，其内部结构变化也是一个极其复杂的过程，受到应力、温度、水分以及其自身土性的影响。但是由于技术测试手段的限制以及模型建立的合理性问题，使得冻土应力场与温度、水分场之间的耦合问题没有很好解决。本项目拟以冻土力学、损伤力学、冻土流变学等理论为指导，基于多能量CT机，实现对冻土（包括正冻土、已冻土和正融土）受力作用下内部细微观结构参数的变化进行全程无损CT监测，充分利用CT数据及图像，结合多种先进试验设备测试结果，进行冻土宏、细、微观对比研究，建立土体内部干密度、孔隙度、未冻水含量等结构参数与温度、压力等外在因素之间的关系，构建水-热-力耦合作用的内变量演化方程，为研究冻土真正的水-热-力耦合机理提供有力的支持，使得冻土力学的研究进入一个新的阶段。

冻土是一种由土颗粒、未冻水，冰和气体组成的复杂的特殊土，冻土受力作用下其内部结构变化是一个极其复杂的过程，由于实验手段和技术的限制，仍有许多问题没有得到很好的解决。本项目从最基本的试样制备出发，通过大量实验，对比了多种制样方式和冻结方式对冻土试样内部初始结构的影响，进行了冻土受力作用下的单轴与三轴剪切实验，并对试验的全过程进行了无损CT实时监测，获得了各个阶段试样不同部位的CT图像，然后应用图像数字化技术，实施了对CT图像的初步处理。对两头压实法制得的试样进行CT扫描，试样的CT数方差不大，密度分布比较均匀，满足我们对试样均匀性的要求；从冻结前后试样内部含水量差看，单向冻结对于含水量分布的影响要较径向冻结方式造成的影响为小，并且在不饱和土样中两者相差更大；冻结兰州黄土的应力～应变曲线具有相似的规律，土体的弹性模量相差很大，温度越低，弹性模量越大；高温冻土对于温度变化非常敏感，其力学响应也更依赖于温度和含冰量。冻结温度对冻土强度有决定性的作用，本次试验中，高、低温冻土试样强度相差6倍以上。单轴受力状态下CT实时监测表明，试样在加载初期体积收缩，但随着荷载的进一步增大转为膨胀，直至试样破坏，样品内部的压密和膨胀一直都在进行。CT数变化与冻结温度息息相关，在0～-2℃范围的剧烈相变区，CT数变化幅值较大；通过CT值计算试样干密度和体积含水量的分布，中心区域密度最大，而外围区域密度最小，而体积含水量的分布规律与之相反；冻结兰州黄土在三轴受力状态下其偏应力～应变曲线具有相似的规律，一开始在围压作用下，试样沿径向方向被压缩，导致试样单向伸长；低温冻结试样的弹性变形持续时间长于高温试样， 1MPa围压下的三轴力学试验中，温度越低，土体的弹性变形模量反而越小。围压的存在，使得冻土试样在不断受力过程中内部结构有了更大的调整空间，进一步强化了冻土体的塑性特征。在同一围压下，随负温的增大，相同条件下冻结兰州黄土的轴向变形减小，体缩量增大，膨胀量减小；三轴受力状态下，各试样整体损伤量基本都在0.1以下，相对于单轴受力状态下试样的损伤度要小得多，故围压对于冻土试样有“抗损伤”的功效；对CT图像的数字化处理可以使得CT图像更加清晰直观，根据CT图像的数字化处理图可以动态、定量地分析冻土受力作用下的内部细观结构的变化过程。