裂隙的存在会显著弱化土体的工程性质，从而对大坝、斜坡、渠道、公路和铁路路堤等基础设施的稳定性构成威胁（图1）。鉴于抗拉强度是决定土体张拉裂隙萌生和扩展的重要力学参数，研究土体的拉伸行为及抗拉强度的演化规律有助于理解张拉裂隙的发育机制。近年来随着全球变暖效应和极端气候事件的发生，周期性的冻融循环加剧了季节性冻土区或多年冻土活动层的土体孔隙结构和抗拉强度演化的复杂性。然而，冻融过程导致的水分动态变化如何影响土体的变形及抗拉强度学界一直没有定论。通常情况下，冻融过程会促使土体产生不可逆的膨胀变形，由此弱化土颗粒间的粘聚力及土-水相互作用，从而导致抗拉强度的减小。然而干燥引起的土体收缩则会强化土颗粒间的粘聚力及土-水相互作用，导致抗拉强度的显著提升。在冻融循环和干燥过程的耦合作用下，土体变形及抗拉强度会如何响应呢？
图1 干湿-冻融过程引起的土体开裂及边坡破坏示意图
针对上述科学问题，半岛bob综合登入唐朝生教授课题组对具有不同压实含水率及压实干密度的试样进行了多轮开放环境下的冻融循环试验，并先后测试了试样沿干燥路径的抗拉强度、孔隙比及吸力（图2）。研究发现随着冻融循环次数的增加，试样的抗拉强度均呈现先减小后增大的趋势，且转折点通常位于低于初始含水率1.5%-2.0%的位置。这主要归因于试验初期冻融引起的孔隙比增加以及粘聚力和吸力减小等负效应起控制作用，由此导致抗拉强度的减小。而试验后期，随着冻融循环次数的增加和含水率的进一步减小，干燥诱导的土体收缩、粘聚力及吸力增大等积极效应占据主导地位，由此导致抗拉强度的增大。在反复的冻融过程中，初始压实含水率越大的试样表现出更大的膨胀势及收缩势。冻融循环初期，相比干侧压实样，在最优含水率及其湿侧压实的试样受冻胀作用显著，具有更大的孔隙比和更小的吸力及抗拉强度，而在冻融循环后期发生更强烈的收缩，呈现更小的孔隙比和更大的抗拉强度。除此以外，试样的抗拉强度始终随压实干密度的增大而增大，该趋势不受冻融循环及干燥过程的影响。该研究从以团聚体、团聚体间孔隙及水桥为特征的微观结构的角度揭示了冻融循环及干燥过程耦合作用下土体抗拉强度的演化机理（图3）。研究成果对季节性冻土区的基础设施建设具有指导意义，即在最优含水率的干侧和最大干密度下压实土能够显著提升土体的抗冻融性能。
图2 冻融循环作用下的土体孔隙比、吸力及抗拉强度随含水率的变化
图3 冻融循环作用下压实土微观结构演化示意图
上述研究成果近期以“Influence of desiccation during freeze-thaw cycles on volumetric shrinkage and tensile strength of compacted clayey soils”为题，发表在工程地质领域顶级期刊《Engineering Geology》上，我院博士研究生魏瑶为论文第一作者，唐朝生教授为论文通讯作者。该研究得到了国家杰出青年科学基金项目、国家重点研发计划等项目的资助。
论文信息：
Yao Wei, Chao-Sheng Tang*, Cheng Zhu, Qing Cheng, Yang Lu, Lin Li, Ben-Gang Tian, Bin Shi. Influence of desiccation during freeze-thaw cycles on volumetric shrinkage and tensile strength of compacted clayey soils. Engineering Geology, 2024, 334, 107513. https://doi.org/10.1016/j.enggeo.2024.107513.
相关论文：
Yao Wei, Chao-Sheng Tang*, Yang Lu, Mingli Zhang, Qing Cheng, Lin Li, Bin Shi. Evaporation and desiccation cracking of soils: Experiment evidence and insight on the freeze-thaw cycle dependence. Engineering Geology, 2024, 329, 107399.
