随着我国西部大开发及“一带一路”倡议的实施推进，冻土区工程建设日益增多，土石混合体-混凝土结构界面稳定性问题日益凸显^［1］，受季节及昼夜大、小周期性冻融循环影响，土石混合体-混凝土结构界面孔隙内水分反复冻结、消融，引起土、石颗粒联结及排列方式改变，造成颗粒骨架疏松，诱发界面宏观力学强度裂化，进而出现变形、错位、沉降等灾害^［2-4］。而以往的研究多集中于不同影响因素下界面宏观力学特性，对其强度降低的原因多为定性描述，对于引起强度劣化的细观本质机理未进行定量分析。因此，本文从细观角度出发，探究冻融下土石混合体-混凝土界面强度与孔隙结构及颗粒运移内在关联，以期揭示界面强度劣化机理。

目前国内外学者针对不同影响因素下土石混合体-混凝土界面宏观力学特性方面开展了大量的研究工作。张国栋等^［5］对土石混合体-混凝土界面进行直剪试验研究，结果表明界面抗剪强度与法向应力及颗粒级配呈正相关；董博^［6］、成浩等^［7］发现界面抗剪强度随平均粒径的增大而增大，连续级配的界面比单粒组碎石料-结构界面的抗剪强度高；陈静等^［8］指出随着含石率的增大，界面剪切强度呈现先减后增的变化；界面区的碎石破坏分为表面研磨、局部破碎和完全破碎3种模式^［9］。经冻融作用后土体的力学特性变化较常温更为复杂，温智等^［10］通过冻土-玻璃钢界面直剪试验，从剪切应力-位移关系曲线归纳出其剪切破坏模式呈脆性破坏，且剪切破坏之后应力降幅为峰值强度一半以上；Zhao等^［11-12］基于不同正应力及负温下冻土与混凝土的循环直剪试验发现界面内摩擦角随循环剪切次数的增加而减小。丑亚玲等^［13-14］进行不固结不排水直剪试验，开展冻融次数、基质吸力等因素对非饱和氯盐渍土-结构、非饱和黄土-结构界面力学性能的影响，结果表明随着冻融次数增加界面黏聚力呈现下降趋势。何鹏飞等^［15］进行了不同冻融次数、法向应力等因素下的冻土-混凝土界面直剪试验，结果表明冻融循环对界面剪应力与水平位移曲线影响较小且峰值剪切强度随冻融循环增加而降低。以上学者多基于常温状态下土石混合体-混凝土界面力学特性进行研究，而对于其在冻土区的力学特性较少涉及，且界面力学特性的劣化归根到底是界面处孔隙结构演化所致，因此，为准确把握土石混合体-混凝土界面力学行为，有必要利用现有技术从细观尺度探索其失效模式。

对于界面处的细观测试，众多学者基于压汞法^［16］、电镜扫描^［17］、NMR^［18-19］等技术对该类材料的内部孔隙特征展开分析，定量评价孔隙结构特征。Tang等^［20］利用NMR测试冻土-混凝土界面未冻水含量，将冻土-结构界面正融过程分为冻结、相变、融化强度变化三阶段；Shen等^［21］通过NMR分析砂岩-混凝土界面细观孔隙分布的差异性，发现随冻融循环次数增多，砂岩侧介孔体积减小，微、大孔体积增加，而混凝土侧三种孔隙体积均增加。随着离散元数值模拟软件的开发应用，一些学者应用PFC对土石混合体这类多孔介质体进行数值模拟试验，如赵亦凡等^［22］对粗粒土-结构界面剪切试验进行PFC2D数值模拟，得到界面体应变是由可逆及不可逆体应变构成，考虑颗粒破碎时土体具有不可逆性剪胀体应变；杨忠平等^［23］利用PFC2D接触黏结模型进行模拟，发现随含石量增高，剪胀特性越强，剪切“跳跃”现象越明显。然而目前细观结构测试多偏向于冻土-结构界面及岩石类材料，而对于土石混合体-混凝土界面这种非均质非连续界面的孔隙结构变化及颗粒运移鲜有研究。

因此本文针对冻融循环下土石混合体-混凝土界面强度劣化问题，首先基于NMR核磁共振分层测试技术测定界面层孔隙结构演化规律，并利用应变式控制直剪仪进行界面直剪试验，获得其抗剪强度参数变化规律，同时开展土石混合体-混凝土界面PFC数值模拟剪切试验，获取不同工况下界面处颗粒旋转特征。最后基于分形理论对界面孔隙变化进行定量表征，从细观角度探究土石混合体-混凝土界面剪切破坏特征，揭示其强度劣化机制，以期为寒区工程建设及已建工程的融沉等灾害防控提供指导价值。

查询试样粒径范围、颗粒级配等参数要求，确定试样制备过程，明晰室内试验方法及流程。通过核磁共振试验仪、应变控制式直剪仪系统研究不同因素对土石混合体-混凝土界面孔隙结构演化及力学行为的影响。

（1）土体和碎石的选取

本试验选用细粒土为季节冻土区的典型土体——粉质黏土，其基本物理参数如表1所示。试验时为便于控制试验条件和结果分析，将所取黏土进行碾碎处理并过2 mm的土工标准筛，筛分后放入108 ℃的烘干箱内烘干12 h，烘干后装袋密封放置实验室干燥通风处备用。试验所做试样尺寸直径为100 mm、高为80 mm，其中含40 mm土石混合体和40 mm混凝土圆柱块，根据《公路土工试验规程》（JTG E40—2007）^［24］中的规定，试样碎石的最大粒径不应超过试样土石混合体高度的1/4和试样直径的1/8，因此确定试验采用的最大碎石尺寸不超过10 mm，土石混合体试样颗粒级配如图1所示（R为含石率）。

（2）混凝土的选用

在制作本试样土石混合体-混凝土组合体试样时为真实反映工程中界面接触状态，本试验配制混凝土的各项参数均与实际工程混凝土配比相同，其配合比如表2所示。

（3）土石混合体-混凝土试样的制作

将过筛烘干的细粒土分层平铺在平板上并在每层上均匀使用压力喷水器洒水，同时保证每层洒水量相同，盖上保鲜膜静置12 h。首先制备尺寸为直径100 mm、高40 mm的圆柱体土石混合体试样。将事先制备好的目标含水率黏土与称重好的碎石进行充分混合搅拌，随后将混合后的土石混合体分三层置入模具中用不锈钢圆片进行压实，以此完成土石混合体试样的制备，如图2所示。为方便制作完成后脱模，需提前将模具内清洗、刷油、涂抹凡士林。

试验前首先称量事先计算好的所需水、水泥、石子、砂，配置对应配合比的混凝土浆液，搅拌完成后即将混凝土填筑于模具内，在振动台上进行充分振捣以保证现浇混凝土与不同含石率界面土石混合体试样充分接触，制成试样如图3所示。

本文根据地勘资料选取7种冻融次数、6种含石率土石混合体-混凝土试样进行室内试验，具体工况如表3所示。

（1）冻融循环试验

对养护好的试样进行冻融循环试验，试样用密封袋装好后放在环境温度为-15 ℃的低温试验箱里冻结12 h，在常温（15~25 ℃）状态下融化12 h，即视为一次冻融循环，冻融试验系统如图4所示。

（2）核磁共振分层测试

利用核磁共振试验仪对不同冻融循环后的试样进行分层测试如图4所示，通过FID（free induction decay）序列调整射频脉冲频率使与固有频率达到一致，即寻找中心频率测试，确定SE-SPI分层序列参数，该核磁共振检测范围宽度为150 mm。根据前人对不同介质界面试样分层测试的分层结果，本文分层测试将检测区等分为5层，每层宽度为16 mm，如图4所示。通过对T₂谱数据反演分析，进而揭示不同冻融次数后土石混合体-混凝土界面处孔隙结构演化特征。

（3）室内直剪试验

在常温实验室内利用应变式直剪仪对不同冻融次数后的试样进行直剪试验，应变控制式直剪系统如图4所示，试验过程中实时记录剪切应力及剪切位移数据，演算不同冻融次数后界面抗剪强度及抗剪指标参数。讨论土石混合体-混凝土界面剪切应力-位移曲线变化特征，明晰冻融循环对不同含石率土石混合体-混凝土界面抗剪强度及抗剪指标的影响。

土石混合体-混凝土界面区域相对脆弱，冻融影响下孔隙变化明显。因此，对界面区孔隙结构特征进行深入探讨揭示界面层孔隙演化过程。

试样内孔径大小及分布由T₂谱弛豫时间反映，信号强度代表不同孔径含量。孔径大小r与弛豫时间T₂的对应关系为

式中：r为孔径；ρ₂为横向表面弛豫强度；F_s为形状几何因子；ρ₂F_s取0.2 μm·ms^-1［25］。依据孔径将NMR测试孔隙分3类：微孔孔隙（T₂≤10 ms，r≤2 μm），介孔孔隙（10 ms<T₂<100 ms，2 μm<r<20 μm），大孔孔隙（T₂≥100 ms，r≥20 μm）^［26-27］。冻融作用及碎石赋存情况对界面层细观孔隙结构分布影响极大，不同冻融次数界面层T₂谱分布如图5所示。界面层孔隙呈三峰分布，微孔孔隙的T₂谱分布在0.5~12 ms范围，介、大孔孔隙主要分布在12~80 ms及100~400 ms范围内且峰值相对微孔来说较少。随着含石率增加，总T₂谱发生向右偏移现象，微孔孔隙曲线峰值效应明显，介、大孔孔隙比例逐渐增加并最后占据主导。究其原因，界面处细颗粒土体团聚，土石混合体碎石骨架间土颗粒减少，无法充分填充在碎石之间，界面层有较多的介孔和大孔相互交织形成连通的孔隙孔洞，造成孔隙体积增大；在经历初次冻融循环后，孔隙率增长较多，因为冻胀作用引起土体内部孔隙结构变化，界面处黏土颗粒粒径较小，比表面积较大，在冻结过程冰晶生长破坏了土颗粒间的黏结，导致整体骨架产生一定的冻胀量，引起界面处孔隙率增大。

T₂谱面积的变化能表示随冻融次数增多孔隙总体积的变化，含石率45%的界面层核磁共振谱面积变化如表4所示。从表中可以看出随冻融次数增加试样T₂谱面积在不断增加，表明冻融循环作用使试样总体孔隙体积逐渐增大。峰1微孔孔隙在冻融0~3次有一定幅度的增长，相对应0次增长率为8.74%；5~20次冻融造成峰面积增幅为11.04%，说明冻融作用对界面内部孔隙结构造成很大影响，孔隙体积不断增加。峰2介孔谱面积在0~20次一直处于递增状态，总增幅为11.7%。峰3大孔孔隙在冻融0~3次大幅增长，增长率为41.02%，5~20次冻融大孔孔隙总体呈增长趋势，增长率为5.46%。3~5次冻融时孔隙变化较为特殊，总谱面积较3次冻融有所减小，其中峰1微孔孔隙及峰3大孔孔隙体积分别减少8.35%和1.81%，介孔体积略有增大，不同含石率的界面孔隙变化大体相同：相较于第3次冻融循环，第5次冻融循环后总孔隙体积均减小。由此可见界面层的孔隙增长较多，受冻融影响较大；在经历5次冻融循环后高含石率微孔及大孔孔隙减小，介孔孔隙增大，可认为是其界面处土石混合体骨架的“塌落”现象所致，大孔隙塌陷及微孔隙发育致使介孔孔隙增多。由于界面趋于稳定性结构发展，冻融循环对界面颗粒骨架的影响在不断的削弱。同时发现随冻融次数的增加介孔、大孔隙比例逐渐增大，也表明在冰水相变过程下，土石混合体-混凝土界面内部孔隙体积发生连续变化，产生新的微孔，其中部分微孔在冻融作用下逐渐发展为介孔、大孔，总孔隙体积也在增加。

基于室内直剪试验结果，将对冻融循环下土石混合体-混凝土界面力学参数劣化规律进行深入探讨分析，探究不同工况下抗剪强度及其力学参数变化规律。

通过土石混合体-混凝土界面直剪试验，得出不同冻融次数、含石率下的剪切应力-剪切位移关系曲线如图6所示。可以看出土石混合体-混凝土界面的剪切应力-剪切位移曲线变化规律大致相同，表现为应变硬化型，可分为三个阶段：①接近线性快速增长的弹性阶段。从施加剪切力开始，剪切应力与剪切位移的曲线是线性关系，剪切曲线斜率随着含石率的增大而增大、随冻融次数增大而减小。②屈服阶段。随着剪切力持续增加，剪切应力-剪切位移曲线增加趋势变缓，此时进入屈服阶段。③剪切破坏阶段。随着直剪试验的进行，剪应力持续增大直至达到顶峰，剪切破坏面不断发展直至贯通，土石混合体-混凝土界面剪切带处于塑性状态，剪切应力进入稳定阶段。

由图6（a）可知，冻融循环0~3次，剪切应力峰值呈现降低的趋势，这是因为土体经过冻融后发生劣化，粗土颗粒出现微裂缝变得酥脆进而发生破碎现象化成细小土颗粒，这种现象改变了接触面处土颗粒及碎石与混凝土的接触状态，土颗粒与混凝土的接触由面面接触转化为点面接触以及点点接触，从而黏结力逐渐减弱导致剪切应力有所下降。另一方面粗颗粒土粉碎后形成的细小粉土包裹碎石，使碎石表面变得圆润，导致其与混凝土之间的咬合力有所下降。可以看到冻融到5次时，接触面剪切应力有一个提升，这是因为冻融达到一定次数后，土石混合体骨架发生明显塌落，骨架相对冻融5次以前较为密实，孔隙有所减少，且由于法向应力的存在，接触面处的土颗粒及被细小颗粒包裹的碎石与混凝土有一个较好的黏结，接触面处剪切应力有所提高。自此继续发生冻融作用，土体骨架在冻融5次塌落的基础上继续劣化发生错动、位移等行为。在剪切过程中，界面黏结效应减小，剪切应力减小。

由图6（b）可知，随着含石率的增大试样达到屈服阶段的应力峰值越大，在0~3 mm的快速增长阶段各含石率之间的变化幅度并不明显，到了3~7 mm的屈服阶段，各含石率之间的增长幅值迅速拉开，到达屈服阶段末试样界面处裂纹持续发展，此时剪切应力基本保持不变，裂纹急剧增加累积，界面区出现较大的贯通裂纹而破坏。

通过土石混合体-混凝土界面直剪试验，得出不同冻融次数、含石率土石混合体-混凝土界面抗剪强度规律曲线如图7所示。由图可知，随着冻融次数的增加界面抗剪强度整体呈现先骤降（0~3次）后反翘（3~5次）再缓慢下降（5~20次）的三个阶段。

在冻融循环0~3次时，界面内部的冰水反复相变，冻结时体积膨胀挤压土颗粒，使其有序排列被打乱，细颗粒土聚集出现不同程度的团聚体，土石混合体内部土体变得松散、酥脆，界面层碎石与土颗粒的联结作用减弱，在剪切时碎石与混凝土的咬合力变小，抗剪强度表现出降低趋势。

试样抗剪强度在冻融3~5次后出现一个较小幅度的反翘现象。究其原因，经历反复冻融，界面土石混合体内部损伤持续发生，结构骨架之间的摩擦力及咬合力减小导致骨架发生劣化变形，最终在5次冻融时土体界面结构发生塌落，在剪切过程中由于法向应力的存在使得剪切错动带处土石混合体与结构间的联结关系变得更紧密。

经历5~20次冻融后低含石试样内部骨架结构趋于稳定，界面处土颗粒可有效与混凝土黏结，即界面强度劣化作用减弱。高含石试样由于存在较少土颗粒，碎石之间存在较多孔隙，界面损伤劣化明显，在经历5~20次冻融后仍有明显较大的骨架变化，即在宏观强度上表现为抗剪强度劣化显著。

界面抗剪强度随着含石率的增加而增大，抗剪强度随含石率增大的增长率如表5所示。含石率从15%到45%，每增加10%的含石率，抗剪强度平均增长率为8.63%、11.08%、6.60%；含石率从45%到65%，每增加10%的含石率，抗剪强度平均增长率为19.59%、11.95%、9.68%。由此可见随含石率增加土石混合体-混凝土界面抗剪强度呈增大趋势，且15%~45%的抗剪强度平均增长率小于45%~65%的平均增长率。

冻融循环作为界面强度参数的重要影响因素，探究两者相关关系尤为重要。图8为不同冻融循环下界面黏聚力、内摩擦角变化曲线。

由图8（a）可知，黏聚力随冻融次数的增加呈现先减小后增加再持续减小的趋势。在初始冻融作用下（0~3次）界面黏聚力下降幅度较大，其衰减率在11.71%~24.42%；在第5次冻融后有小幅度提升，此时界面层孔隙谱面积减小，孔隙总量相对减小，骨架塌落导致颗粒间摩擦、黏结力增大，因此黏聚力呈现增大的趋势，提升幅度在5.91%~12.18%；在后续的冻融作用下（5~10次）劣化幅值明显减小，此时界面层孔隙体积增加量亦表现出相同规律，黏聚力衰减幅度在13.05%~19.43%，冻融10~20次界面层孔隙持续增加，界面脱黏劣化持续发生，界面黏聚力衰减率幅值在13.08%~21.31%，由此说明冻融作用影响主要集中在0~10次范围内。随着含石率的增大黏聚力呈增大的趋势，由于土颗粒与混凝土之间的胶结力不断减小，逐渐由碎石与混凝土之间的咬合力占据主导地位，但土颗粒产生的胶结力、咬合力也提供一部分黏聚力。在剪切试验时，剪切带处的块石颗粒要么翻越相邻块石或者界面处凸出的混凝土，要么发生滑动现象，此时界面黏聚力主要是块石产生的咬合作用力提供的表观黏聚力。

由图8（b）可得高含石率试样内摩擦角呈先减后增再减的趋势，但整体呈现出降低的现象。随冻融循环粗粒土骨架经冻胀、消融发生劣化，产生微裂缝甚至破碎分解，黏附在碎石表面的土颗粒破碎后，细小颗粒土由于骨架变形产生的挤压使其紧紧包裹在碎石表面，碎石此时棱角不再尖锐，进而与混凝土的咬合及嵌固能力减弱，在剪切过程中出现较明显的滑移段，内摩擦角也相应减小。随含石率的增长内摩擦角呈增长趋势，但当含石率达到65%时，内摩擦角骤降，究其原因，此时土石混合体-混凝土界面存在一个阈值，土颗粒含量较少无法完全填补碎石孔隙，混凝土浇筑过程中浸入，土石混合体-混凝土界面强度主要是靠碎石与混凝土之间的咬合力承担，因此法向应力对界面抗剪强度提升作用削弱，造成内摩擦角骤降。

通过PFC2D建立土石混合体-混凝土界面剪切模型，明晰界面颗粒旋转运移特征，对比土石混合体-混凝土界面变形破坏特点，从细观角度探究界面直剪破坏形态特征。

本文选择线性接触刚度模型来表征颗粒接触力和相对位移之间的相关关系，表征颗粒法向接触力和切向接触力之间的关系时则选用接触滑动模型，其约束的颗粒在达到预定最大切向接触力后才能发生相对滑动，且滑动模型只能在接触黏结模型起作用之前发挥作用。模拟中土颗粒与土颗粒之间多为点接触，因此选用能在很小范围内起黏结作用且只能传递力的接触黏结模型，块石颗粒之间由于块石的刚性则选择可以抵抗力和弯矩的平行黏结模型，土颗粒与块石颗粒之间设置接触黏结模型，其黏结强度为土颗粒之间黏结强度的0.5倍，块石之间的黏结强度则设置为0。根据土颗粒及块石与混凝土的接触特性，土颗粒与混凝之间则选用接触黏结模型，块石与混凝土之间选用平行黏结模型。模型生成后进行剪切模拟，采用应变控制加载方式，加载速率为0.015 m·s^-1，当剪切应变达到12%时停止加载并终止试验。目前尚未建立宏观力学参数与颗粒细观力学参数的关系，宏观所得参数不能直接换算为颗粒细观参数。为构建能反映实际直剪试验宏观力学行为的颗粒流模型，细观参数的确定采用试错法，通过不断调整模型直剪试验中的细观参数值大小，来获取试样内部的剪应力，通过将模拟试验与室内直剪试验的应力-应变曲线结果进行对比，若结果相近，则最终确定细观参数值，以此对颗粒流模型细观参数进行标定。采用PFC2D中的Wall作为剪切盒的边界条件，依据室内土石混合体-混凝土界面直剪试验试样尺寸，设置上下剪切盒尺寸高×宽均为40 mm×100 mm。土石混合体中的土颗粒用ball颗粒来模拟，考虑其模型的计算效率和模拟结果的准确性，将粒径小于2 mm的颗粒用体积分数相同的2 mm颗粒代替。用由pebble构成的刚性簇clump来表示块石颗粒，在下剪切盒内随机生成多边形块石，块石颗粒粒径介于4~10 mm之间。以35%含石率下不同冻融次数试样模型试验为例，通过不断调整模型细观参数，由此得到模拟细观参数如表6所示；得到模拟结果的剪切应力-位移曲线，室内试样结果与模拟结果对比如图9所示。

PFC模拟得出试样剪切破坏后剪切带的颗粒旋转云图，如图10所示。在模拟剪切过程中由于上下剪切盒产生相对错动，导致试样界面处的土颗粒及碎石发生相互错动，以及碎石出现爬坡、翻滚等现象，可通过颗粒旋转云图直观地看出试样破坏后剪切带的具体破坏形态。低含石率试样界面处主要为土颗粒发生旋转，靠近混凝土面的颗粒先旋转进而带动附近土颗粒的转动。同时，剪切带内颗粒的旋转量与颗粒的大小相关，通过图中土石颗粒转动幅度可知，大粒径的块石颗粒表现出“惰性”，其转动量明显小于相同位置处的土颗粒，这种旋转程度的差异性是由于土、石颗粒转动惯量的不同所导致。界面处土颗粒所受约束小，相对旋转比较自由，而碎石颗粒受土颗粒及碎石颗粒的挤压，无法自由旋转，从高含石率（65%）试样就可知，土颗粒产生旋转量较大，碎石颗粒转动量较小，发生旋转的颗粒占比为35.33%，较低含石率（15%）旋转颗粒占比增加286%。45%含石率界面随着冻融次数的增加，界面剪切时发生旋转的土颗粒数量在不断增加且发生转动颗粒的范围也在不断扩展，与NMR测试中总孔隙体积不断增加相对应，冻融3次界面旋转颗粒占比为20.33%，比冻融0次增加了9.93%，究其原因，冻融作用使颗粒之间孔隙增多且骨架变得松散，因此在剪切中界面较多颗粒黏结作用被破坏进而产生转动；5次冻融后，土石混合体内部骨架塌落重组，土颗粒之间黏结作用增强，界面处土颗粒旋转受限，旋转颗粒占比减少1.33%与NMR测试中5次冻融后总孔隙体积减少相对应。继续冻融界面在5次冻融循环的基础上持续劣化，颗粒旋转量及旋转范围增大。

为开展冻融循环下土石混合体-混凝土界面处孔隙结构定量化分析，引入分形理论对界面孔隙结构的复杂性进行解释。结合不同冻融次数后界面层核磁细观孔隙结构演化特征绘制出界面层孔隙结构变化及颗粒运移机理图，用以揭示冻融下界面强度劣化机制。

为开展冻融循环下土石混合体-混凝土界面处孔隙结构定量化分析，引入分形理论，基于NMR分层测试结果，利用核磁分形维数对界面孔隙结构的复杂性进行解释。根据分形理论^［28-30］，若试样界面层内部孔隙符合分形特征，则大于r的孔隙数目N（r）与r满足如下关系，即

式中：r_max为试样界面层中最大孔隙半径；P（r）为孔径分布密度；a为常系数；D为孔隙的分形维数。

对式（2）中r进行求导，得到界面区孔径分布密度函数P（r）。

式中：a'_{=-Da，为常系数。}

试样内部孔隙累计体积可表示为

式中：a为与内部孔隙形状相关的系数；r_min为界面区中最小孔隙半径。

将式（3）带入到式（4）中可得

进而得出试样总孔隙的体积求解公式为

孔隙体积分数可通过式（5）与式（6）求得。

式中：r_min<<r_max。于是

根据r=ρ2FsT2中孔隙半径r与弛豫时间T₂的关系，可得

对式（9）左右两边取对数，得到

从式（10）可以看出，若试样界面区内部孔隙结构具有分形特征，则认为lg S_v与lg T₂有线性关系。可通过线性相关系数来判断界面内部孔隙符合分形结构的程度。若线性相关性高，则可通过NMR分形维数表征组合体界面处内部结构的复杂程度。根据NMR测试结果可知T₂谱存在3个特征峰值，将第1个波峰截止处所对应的T₂值设为T_2a，将第2个波峰截止处对应的T₂值设为T_2b。通过对3个波峰所对应的lg S_v与lg T₂进行拟合求得分形维数D，结果如表7所示。根据相关系数R²可认为lg S_v与lg T₂具有较好的线性关系，即土石混合体-混凝土界面区内部孔隙结构具有较强的分形特性。

从表7中可以看出，随着冻融次数增加，界面孔隙分形维数呈先增大后减小的趋势，界面层孔隙分布多样且复杂。当碎石含量为35%，未经冻融时微孔孔隙分形维数为2.279，3次冻融后增加0.005，经历5次冻融循环后为2.280减小了0.004，20次冻融循环后孔隙分形维数下降为2.255，同时可以看出未经历冻融时的介孔孔隙分形维数为2.291，3次冻融后增加了0.007，经过5次冻融循环后为2.295减小了0.003，20次冻融循环后减小到2.281。大孔孔隙未经冻融分形维数为2.312，冻融3次增加了0.016，冻融5次减小了0.003，冻融20次后为2.318。由此可见，界面孔隙特征受冻融循环影响剧烈。界面的孔隙复杂程度主要由内部土颗粒团聚的程度决定，当土以细颗粒形式填充于块石间时，试样的密实度高，内部孔隙复杂程度较低，相应的分形维数较小。而当土颗粒受外界环境影响形成团聚大颗粒后，内部变得松散，孔隙复杂度高，分形维数较大。

土石混合体由粗粒土及碎石组成，两者相互胶结、咬合构成了土石混合体的主要骨架结构，细颗粒土则填充在骨架之中起到一定的联结作用。由界面核磁T₂谱及PFC模拟可知界面层孔隙结构特征受冻融作用影响显著，基于不同冻融次数后界面细观孔隙结构演化特征、界面力学特性及界面颗粒运移特征绘制出界面强度劣化机理如图11所示。

试验所选用青藏高原典型粉质黏土的结构性对冻融循环敏感度较高，随着冻融次数的增加界面处发生旋转颗粒的数量在增加，但由于冻融循环后土石混合体内部结构趋于松散，颗粒间联结、互锁作用弱化，导致剪切带附近转动量大的颗粒数量明显减少，主要为旋转颗粒的范围在增大，对其抗剪强度无增强作用。（骤降阶段）在冻融循环0~3次时，土体内部的冰、水反复相变，冻结时体积膨胀对周围的土颗粒产生挤压效果，土石颗粒的有序排列被打乱，在这一过程中细颗粒土聚集会出现不同程度的团聚体，此时界面层孔隙体积、分形维数均发生增大，孔隙结构变得复杂导致土石混合体内部土体变得松散、酥脆，界面层碎石与土颗粒的联结作用减弱，酥脆破碎的土颗粒包裹碎石，在剪切时碎石与混凝土的咬合力变小，抗剪强度表现出降低趋势。（反翘阶段）在3~5次冻融时界面分形维数及颗粒旋转量均为减小，究其原因是在冻结风化过程中大粒径的黏土颗粒裂隙中的水膜相变成冰导致其发生破裂并向下一粒级转变，而粒径较小的土颗粒在团聚作用下形成较大的颗粒，土颗粒的粒度成分向均一化发展。该过程中附着在块石表面的块状大颗粒逐渐分裂、重组，造成试样内部骨架发生塌落，进而形成块石颗粒为核、黏土颗粒在外部覆盖的包裹体结构，该结构的出现使得内部孔隙复杂程度降低。同时，此过程中试样内部骨架塌落使土石混合体-混凝土界面整体结构性增强，强度增大。（缓降阶段）在5~20次冻融循环过程中界面处土石混合体骨架没有明显变化，附着在块石外部的土颗粒逐渐剥落，而剥落后细小土颗粒松散分布于碎石间使微孔孔隙体积减少，介孔孔隙体积增大而分形维数减小，由于冻融损伤持续叠加使得其界面宏观力学性能均出现不同程度的劣化。随含石率增加抗剪强度呈现增加的趋势，并存在45%的临界含石率，在15%~45%含石率区间内抗剪强度增加率变化不明显，在45%~65%含石率区间抗剪强度增加率激增。究其原因15%~45%低含石率试样界面处主要是以土颗粒与混凝土的胶结接触为主，界面仅伴随着少量碎石与混凝土接触、咬合和嵌固，在剪切过程中碎石主要悬浮于土体之中并没有形成传递剪切力的骨架结构，此时剪切破坏时主要以滑动为主，界面处黏聚力主要是土颗粒及碎石与混凝土的胶结、咬合力提供，剪切面形态以波浪式上下起伏为主。而45%~65%高含石率试样界面处则赋存较多的碎石颗粒，此时浇筑混凝土后浸入土石混合体部分的混凝土体积越大，土石混合体与混凝土的接触面积随之增大，则碎石与碎石之间、碎石与混凝土之间的咬合作用力越强，碎石颗粒间形成能够传递剪切力的结构骨架，土颗粒则填充在碎石之间起一定的黏结作用，此时碎石骨架效应明显。界面表观黏聚力主要由碎石与混凝土之间的咬合力及嵌固力提供，同时由于碎石含量的增加，界面内摩擦角主要由碎石的咬合摩擦力提供，从而使抗剪强度增加显著。从核磁结果可知，随着含石率的增多碎石骨架之间的孔隙率在不断增大，在浇筑混凝土材料时，经充分振捣，水泥浆液渗入土石骨架之间，本就形成骨架的碎石加上混凝土浆液的黏结作用，界面处两种材料之间形成更强的联结效果，碎石的嵌固作用力增强。由于界面处部分碎石被混凝土锁固，其转动、翻滚受限，进而临近界面层的土体及碎石发生等现象，此时界面剪切带厚度增厚且颗粒旋转量增加界面呈现啃掘式破坏形态。

为了探究冻融循环下土石混合体-混凝土界面力学特性劣化规律及机制，本文通过开展不同工况下土石混合体-混凝土组合体核磁共振分层测试及室内直剪试验，再者基于PFC数值模拟软件进行界面剪切模拟试验，结合宏细观试验结果明晰了界面强度劣化机制，得出如下结论：

（1）基于NMR分层测试获取了冻融循环下界面层孔隙结构演化特征。冻融后界面内部孔隙体积发生连续变化，产生新的微孔，其中部分微孔在冻融作用下逐渐发展为介孔、大孔，总孔隙体积也在增加；碎石的赋存同样对界面层孔隙结构分布具有较大影响，随着含石率的增大三个孔隙特征峰均向右移动，且随着含石率的增大介孔及大孔逐渐占主导地位。

（2）土石混合体-混凝土界面层孔隙结构具有较好的分形特性，界面层分形维数随冻融次数的增加呈现先增后减的趋势，而随含石率的增大呈现增大的趋势，孔隙复杂程度变大。界面微孔孔隙分形维数随含石率的增大呈增大趋势，介孔孔隙分形维数则变化明显，大孔孔隙分形维数则呈现变小趋势。

（3）随冻融循环次数将界面强度变化分为三个阶段：①骤降阶段。土体内部的冰、水反复相变，冻结时体积膨胀对周围的土颗粒产生挤压效果，土石颗粒的有序排列被打乱，在这一过程中细颗粒土聚集会出现不同程度的团聚体，此时界面层孔隙体积增大，孔隙结构变得复杂。②反翘阶段。强度少幅提升，究其原因是大多数块状颗粒土微裂纹急剧增多彻底变脆，受冻胀力挤压颗粒破碎后成为细土颗粒，使得土石混合体内部骨架结构发生劣化错位、重组，最终小幅度塌落现象。③缓降阶段。此时界面处颗粒骨架没有明显变化，总孔隙体积呈增大趋势，使界面强度劣化。

（4）低含石试样界面处主要由土体起主导作用，由于冻融作用孔隙体积的增多界面损伤劣化，土体与混凝土黏结力减小，抗剪强度降低；高含石试样界面处主要通过碎石与混凝土的摩擦、咬合作用提供剪切力，由于冻融作用界面层孔隙体积增多，土石混合体整体变得松散，在剪切时碎石与混凝土的咬合力变小，抗剪强度表现出降低趋势；随着含石率增加，界面处碎石的咬合、锁固作用强化，剪切面呈现出不规则的剪切带，界面抗剪强度增大。