冻土抗拉强度研究现状与展望

doi:10.7522/j.issn.1000-0240.2022.0157

摘要/Abstract

摘要：

全面掌握冻土抗拉强度研究现状是进一步深化研究的基础。首先，分类介绍了目前可用于冻土抗拉强度测试的各典型方法，详细阐述了不同测试方法的试验条件、试样形式和受力机理，对比列举了典型抗拉强度测试方法优缺点。其次，归纳总结了基于不同试验方法已进行的研究工作和不足。然后，全面分析了温度、含水量、加载（变形）速率、土质及试样尺寸等影响因素对冻土抗拉强度变化规律影响的最新研究进展。最后，提出发展并完善冻土抗拉强度研究方法和体系，增加高温冻土抗拉强度测试研究，从而获得更加准确模拟冻土张拉破坏行为的展望。指出应结合冻土微细观结构和数字图像技术研究手段，深入揭示冻土抗拉强度形成内因和张拉破坏机制。阐述以多影响因素试验为基础，探寻更为完善的冻土抗拉强度预测方法。同时，拓展冻土抗拉强度的现场原位测试研究，加强室内外双轨并行式研究思路。通过对国内外研究现状及发展趋势的分析，为冻土抗拉强度试验研究、冻胀理论模型完善、寒区岩土工程设计和人工冻结加固工程等提供参考和指导。

关键词: 冻土, 抗拉强度, 直接拉伸, 间接拉伸, 力学特性

Abstract:

A comprehensive grasp of the research status of tensile strength of frozen soil is the basis for further research. Firstly， the typical methods that can be used to test the tensile strength of frozen soil are introduced， and the test conditions， sample forms and stress mechanism of different test methods are described in detail. The advantages and disadvantages of typical tensile strength test methods are compared and listed. Secondly， the research work and shortcomings based on different test methods are summarized. Then， the latest research progress of the influence of temperature， water content， loading （deformation） rate， soil quality and sample size on the change law of frozen soil tensile strength is comprehensively analyzed. Finally， it is proposed to develop and improve the research method and system of frozen soil tensile strength， and increase the testing research of warm frozen soil tensile strength， so as to obtain the prospect of more accurately simulating the tensile failure behavior of frozen soil. It is pointed out that the internal cause of the formation of the tensile strength and the tensile failure mechanism of frozen soil should be thoroughly revealed by combining the research methods of microstructure and digital image technology of frozen soil. Based on the multi-factor test， a more perfect prediction method of frozen soil tensile strength is explored. Meanwhile， expand the in-situ test research on the tensile strength of frozen soil， and strengthen the parallel research ideas of indoor and outdoor double tracks. Through the analysis of the research status and development trend at home and abroad， it provides reference and guidance for the experimental study of frozen soil tensile strength， the improvement of theoretical model of frost heave， geotechnical engineering design in cold regions and artificial freezing reinforcement engineering.

Key words: frozen soil, tensile strength, direct tensile, indirect tensile, mechanical properties

中图分类号:

TU445

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图/表 12

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参考文献 65

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土质	含水量/%	温度范围/℃	加载速率/（mm·min^-1）	研究内容	文献来源
粉土	—	0~-57	—	单轴拉伸法测试冻土抗拉强度可行性及强度与温度和加载速率关系	［27］
黄土	饱和	-2、-5、-10	0.005~20	分析饱水冻结黄土峰值应力、破坏应变和破坏时间特性	［28］
黄土	饱和	-5、-10、-15	0.168~9.72	应变率及温度对冻结黄土抗拉强度的影响规律	［29］
黄土	饱和	-2、-5、-10	—	冻结黄土抗拉强度与应变率和温度的关系	［30］
黏土	饱和	0~-2	0.34、2.3	高温冻土抗拉强度形成机理及抗拉强度与孔隙冰含量的关系	［31］
粉质黏土	14~25	-2~-20	1	建立抗拉强度与温度和初始含水量关系的数学模型	［32］
粉砂	12	-2~-20	1	分析橡胶掺入量对粉砂土强度影响规律以确定最佳混合比	［33］
粉土	13~20	-2~-10	2.4	探究冻结作用下土与结构接触面抗拉强度的影响因素及变化规律	［34-35］

土质	含水量/%	温度范围/℃	加载速率/（mm·min^-1）	研究内容	文献来源
硅砂	饱和	-6	—	冻土抗拉强度与加载速率、温度以及试样尺寸关系	［42］
黄土	饱和	-2、-5、-10	0.005~20	径向压裂法测试冻土抗拉强度可行性及强度与温度和加载速率关系	［43］
黄土	饱和	-2~-15	0.005~20	试样长度对径向压裂法测定结果的影响及计算方法修正	［44］
黏土砂土	30 16	-7、-12、-17	—	径向压裂法测试冻土抗拉强度可行性及强度与温度和土质关系	［45］
粉质黏土	14~25	-1~-24	1	建立抗拉强度与温度和初始含水量关系的数学模型	［46］
粉土	饱和	-0.1~-2	2	高温冻土抗拉强度与未冻水含量和体积含冰量的定量关系	［47］
粉土	富冰	-0.5~-2	0.1、1.25、4	高温冻土抗拉强度与温度和加载速率的关系	［48］
膨胀土	21.7~25.7	-2~-15	0.2~20	温度、加载速率、干密度以及含水量对抗拉强度的影响规律	［49］
粉质黏土黄土、砂土	最优含水量	-1~-20	8.25	分析冻土压拉强度差异及抗拉强度随土质特性和温度的变化规律	［50］
混杂岩土	25	-10、-20、-30	0.02	分析抗拉强度特性与温度和含水量关系以及混杂岩土破裂面特征	［51-52］
粉质黏土	3.5~21	0~-12	1	分析冻土抗拉强度与初始含水量和温度的关系	［53］
粉土	饱和	-1、-6、-10、-15	0.3、1、10、50、100	分析试样尺寸、温度、加载速率和预制裂缝对抗拉强度影响规律	［54］

方法分类	试验方法	优缺点
直接拉伸法	单轴拉伸法	1、应力分布简单且明确 2、试样成型困难且不均匀 3、易在截面变化处应力集中
直接拉伸法	三轴拉伸法	1、可模拟真实应力状态 2、装置与原理较为复杂 3、结果强烈依赖应力路径 4、不易出现纯拉断破坏模式
间接拉伸法	径向压裂法	1、试样成型简单且均匀 2、破裂面应力分布不均 3、荷载点易出现应力集中 4、理论推导过程假设较多
	轴向压裂法	1、试样成型简单且均匀 2、破裂面应力分布不均 3、荷载点易出现应力集中 4、理论推导过程假设较多
	土梁弯折法	1、试验过程简单可控 2、试样较大温度均匀性差 3、破坏失效往往为断裂破坏 4、断裂强度近似代替抗拉强度
	液压劈裂法	1、试样制备节省土料 2、应力分布简单且明确 3、试样成型相对容易且均匀

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