高法向应力与冻融条件下冻土-结构界面直剪力学特性研究

为解决深部人工冻结工程中冻土-结构界面在高应力及冻融循环下的力学性能退化问题，研究人员采用改进DRS-1高压直剪系统开展系列试验，揭示了法向应力与融化温度对峰值剪切强度τf和初始剪切模量Ksi的影响规律，为极寒地区地下工程稳定性评估提供关键参数。

　　

在极寒地区深部地层施工中，人工冻结法被广泛应用于竖井建设，但冻土-结构界面在高压和周期性冻融作用下的力学行为退化一直是工程安全的重大隐患。传统研究多聚焦于低应力条件（<700 kPa），而实际工程中冻土墙承受的水平地压可超过9 MPa，且冻融过程会显著削弱界面粘结力。这种认知缺口使得深冻结井筒衬砌设计缺乏可靠理论支撑，可能导致结构失稳。

中国矿业大学的研究人员通过改进DRS-1高压直剪系统，首次系统研究了3-10 MPa高法向应力和-10℃至0℃冻融条件下冻土-结构界面的力学响应。研究发现：剪切应力-位移曲线会随融化温度升高从应变软化型逐渐转变为应变硬化型；峰值剪切强度与法向应力呈正线性关系（tanφ_avg=0.42），但随温度升高而降低；初始剪切模量K_si最高达7.66 MPa，同时τ_f/τ_ult比值（0.66-0.85）揭示了界面从脆性到塑性的转变规律。这项发表于《Soils and Foundations》的研究，为深冻结井筒衬砌设计提供了关键参数。

关键技术包括：1）采用改进DRS-1系统实现30 MPa法向应力和-40-40℃温控；2）通过徐州地区典型粉质黏土（含水率15.1%）模拟冻融循环；3）基于Hardin-Drnevich双曲线模型拟合剪切模量变化；4）结合Mohr-Coulomb准则分析强度参数。

【剪切行为】
试验显示：在-10℃时界面呈现明显应变软化，剪切带快速发育；而0℃时表现为应变硬化，这与冰晶融化后土颗粒重排相关。垂直应变分析表明，高应力（10 MPa）完全抑制了冻土膨胀，体积压缩率随温度升高增加300%。

【峰值剪切强度】
法向应力从3 MPa增至10 MPa时，-10℃下的τ_f提升207%。Mohr-Coulomb参数显示：黏聚力c从-10℃的4.34 MPa骤降至0℃的2.36 MPa；内摩擦角φ在-5℃出现拐点，源于高压下土颗粒咬合效应增强。

【剪切模量变化】
双曲线模型回归表明：K_si与σ_n呈正相关，但温度升至-2℃时K_si降幅达22%。剪切模量K_st在位移3 mm后衰减90%，揭示界面刚度对微变形的敏感性。

该研究首次量化了高压冻融耦合作用下界面力学参数的演化规律，阐明了两大机制：1）高压通过增强有效应力抑制土颗粒滑移；2）升温通过削弱冻结力（adfreezing force）促进界面滑移。这些发现为预测深冻结井筒衬砌荷载分布建立了理论基础，尤其对700 m级超深冻结井设计具有直接指导价值。未来研究可进一步考虑循环冻融次数对界面长期性能的影响。