单向冻融循环作用下膨胀性土壤的损伤演化机制及多尺度表征

《Scientific Reports》：Damage evolution mechanism and multiscale characterization of expansive soil under unidirectional freeze-thaw cycles

　　

摘要

在季节性冻结地区，膨胀性土壤在冬季从地表开始向下逐渐冻结，春季则从地表开始解冻。这种温度变化会导致严重的工程问题，例如持续发生的滑坡和路堤坍塌。传统的实验室研究通常将样本直接暴露在寒冷环境中，导致样本从所有界面同时发生冻结，这无法模拟自然界中的垂直温度梯度。本研究通过变形监测、汞注入试验（MIP）和计算机断层扫描（CT）测试，从宏观、介观和微观三个角度研究了膨胀性土壤在单向冻融（F-T）循环下的内部损伤演变过程。结果显示，含水量分别为19.6%、21.6%和23.6%的样本的最大垂直变形量分别为1.46毫米、1.70毫米和2.25毫米，最终稳定在0.70毫米、1.40毫米和1.80毫米。单向冻融循环使样本在13.5厘米深度处的孔隙显著膨胀，50次循环后孔隙率分别增加了3.57%、5.34%和6.15%，大孔隙（>4微米）的体积最大增加了10.3%。冻胀损伤机制分为三个阶段：第一阶段主要是由水迁移和冰晶形成引起的冻胀；第二阶段的变化可归因于颗粒聚集；第三阶段则表现为聚集体的分散和微裂缝的形成。这些发现对于减少季节性冻结地区的灾害和保障交通系统的安全具有重要的工程意义。