冻融循环作用下分散性土的力学性能与微观结构演化

《Water》：Mechanical Properties and Microstructural Evolution of Dispersive Soils Under Freeze–Thaw Cycles

　　

分散性土广泛分布于中国东北的季节性冻土区，在季节性冻融（Freeze–Thaw，FT）循环驱动的水热动力学作用下，土体水文演化与力学退化显著，对寒冷地区水利工程的长期稳定性构成严重威胁。然而，南嫩江总干渠分散性黏土的水-热-力（Hydro–Thermo–Mechanical，HTM）耦合退化机制仍知之甚少，尤其是冻融诱导的微观结构演化与宏观力学行为之间的关联。本研究中，研究人员对低塑性分散性黏土试样进行了0–12次冻融循环。采用不固结不排水（Unconsolidated Undrained，UU）三轴试验评估力学行为，同时利用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy，SEM）结合孔隙裂隙分析系统（Pore and Crack Analysis System，PCAS）量化微观结构演化。结果表明，冻融循环次数的增加使应力-应变响应由轻微应变软化转变为应变硬化，破坏模式趋向鼓胀型延性破坏。黏聚力呈现显著的指数衰减，前三次冻融循环内退化最为显著，约六次循环后趋于稳定，而内摩擦角变化较小。在微观尺度上，孔隙率和总孔隙面积通过微孔合并与大孔发育持续增加，分形维数略有降低，表明冻胀引起的孔隙合并导致孔隙边界复杂度降低、孔隙界面光滑化。冻融诱导的水热扰动促进了孔隙水相变与再分布，导致孔隙逐渐扩大和结构完整性丧失。由于试样在密封、封闭系统条件下测试，总含水量几乎不变，该退化链可明确归因于原位冰-水相变和内部孔隙水再分布，即水相变驱动过程，而非外部供水。研究证明，冰-水相变驱动的粒间键断裂和孔隙扩张-合并主导强度退化，促进强度行为由结构主导向摩擦主导转变。进一步提出了归一化黏聚力折减系数和黏聚力退化指数，用于量化结构完整性的渐进丧失，并为寒冷地区岩土工程实践提供面向设计的工具。这些发现为寒冷地区工程中分散性土的稳定性评估和灾害缓解提供了基础。

冻融循环下分散性土力学性能与微观结构演化研究解读

分散性土（dispersive soil）是一种在低盐度水中易分散崩解的黏性土，因其高钠吸附比（SAR）和交换性钠百分率（ESP），其絮凝结构遇水后快速解体，导致抗剪强度骤降，对渠道、堤坝等水工构筑物构成严重威胁。中国东北、西北及青藏高原既是分散性土集中分布区，又是典型季节冻土区，季节性冻融（Freeze–Thaw，FT）循环成为控制土体水热演化与工程性能的关键环境因素。然而，以往研究多聚焦于分散性土自身物理力学性质的改良，对其在冻融环境下的长期退化行为，尤其是水-热-力（Hydro–Thermo–Mechanical，HTM）耦合作用