凍土與構築物接觸面存在於凍土區各種岩土工程結構中，該接觸面剪下力學特性研究的開展，對於分析凍土區結構的承載力、凍融變形及穩定性等問題具有重要意義。在全球升溫、凍土退化背景下，水泥土攪拌樁、基坑排樁、擋土牆以及組合樁等水泥土基礎將在高溫凍土地基基礎設計中扮演重要角色。土-結構接觸面的研究起源於20世紀70年代，最初由Clough和Duncan透過試驗建立雙曲線模型，經過多年的發展，國內外專家透過各種研究方法，先後建立了多種模型。然而，上述模型均在融土中建立，不適用於凍土。關於高溫凍土-結構介面變形機理及本構模型的研究尚未報道。
中國科學院西北生態環境資源研究院凍土工程國家重點實驗室凍土力學研究團隊對這一關鍵科學問題開展了長期跟蹤研究。研究設計多因素影響下室內剪下試驗，分析接觸面破壞形態，明確其荷載轉化機理；基於岩土破損力學理論及二元介質模型，將接觸面上的凍結粉土抽象成由膠結元和摩擦元組成的二元介質；剪下荷載作用下膠結元逐漸破損向摩擦元轉化，二者共同承擔外荷載。同時，研究引入體積破損率和應力分擔率函式，假設接觸面凍土微元強度服從Weibull機率分佈，建立了接觸面損傷本構模型。該模型揭示了水泥土-凍土接觸面微觀破損機制與細觀力學特性，較好地模擬了該接觸面應力-應變曲線全過程，特別是接觸面應變軟化特性。
相關研究成果以Mechanical behavior and constitutive relation of the interface between warm frozen silt and cemented soil為題，線上發表在Transportation Geotechnics上。研究工作得到國家自然科學基金面上專案的資助。
圖1.接觸面直剪試樣
圖2.接觸面受力及力學模型
圖3.接觸面變形階段及荷載轉化關係
圖4.模型值與實測值的擬合結果對比
來源：中國科學院西北生態環境資源研究院
