季节性干湿冻融循环下粉砂质砂力学行为演化机制与多尺度本构模型研究

为解决新疆北疆供水工程中膨胀土边坡滑移问题，研究人员以粉砂质砂为替代材料，通过干湿冻融(DWFT)循环试验系统研究了其宏微观力学特性。结果表明：DWFT循环对粉砂质砂剪切和压缩特性影响有限(强度劣化<5%)；微观分析揭示其骨架结构稳定，细颗粒迁移填充孔隙；基于三轴试验建立了考虑状态参数的本构模型，为寒旱区工程土体稳定性评估提供理论依据。

　　

在新疆北疆供水工程中，季节性输水导致渠道边坡长期经受干湿交替与冻融循环(DWFT)的双重考验。原本采用的膨胀土填料因反复滑移失效，改用粉砂质砂替代后仍出现类似问题。这一现象引发深思：在复杂环境耦合作用下，粉砂质砂的力学性能究竟如何演变？其破坏机制与传统膨胀土有何本质差异？这些问题直接关系到我国寒旱地区重大水利工程的长期稳定性。

新疆大学的研究团队通过系统的宏微观试验揭示了DWFT循环下粉砂质砂的力学响应规律。研究采用直接剪切试验测定抗剪强度参数，压缩试验获取压缩系数，扫描电镜(SEM)观察微观结构演变，并结合不同压实度(88.7%-96.8%)的三轴试验建立本构模型。试验材料取自工程现场，基本物理性质显示其矿物组成以石英(68.4%)为主，含19.3%黏土矿物，液塑限特征与低液限黏土(CL)相似。

宏观力学测试表明，DWFT循环导致粉砂质砂黏聚力(c)和内摩擦角(φ)呈指数型衰减，但最大劣化程度仅分别为4.61%和2.52%，远低于膨胀土的27.6%-43.2%。压缩系数轻微增大，但所有试验值均<0.1，保持低压缩性特征。微观结构分析显示，砂粒骨架通过点-边-面接触保持稳定，定向分布呈现120°-165°的优势取向。尽管弱胶结团粒内部孔隙增多，但脱落细粒会重新填充孔隙，使三维孔隙率(V_3D)维持在50%左右波动，平均粒径和分形维数仅轻微下降。

三轴试验揭示了应力-应变关系的状态依赖性：低压实度(88.7%)下表现为硬化型和纯剪缩；当压实度升至96.8%时转为软化型，体积变形先剪缩后剪胀。基于此，研究采用Li等提出的状态相关本构模型进行模拟，通过11个参数成功预测了不同围压(100-400kPa)下的力学响应，但发现模型对细粒含量影响的刻画仍需改进。

该研究首次系统阐明了DWFT循环对粉砂质砂力学特性的影响机制，证实其环境稳定性显著优于膨胀土。建立的考虑状态参数(e, p, ψ)的本构模型为寒旱区土工结构设计提供了理论工具。研究成果发表于《Materials Today Sustainability》，对解决我国西北干旱-寒冻复合区输水工程病害具有重要指导价值。未来研究需进一步量化细粒含量对初始刚度的影响，以提升模型在低应变阶段的预测精度。