关键词：
玄武岩纤维加筋黄土
冻融循环
宏观强度特性
细观结构损伤规律
损伤本构模型
摘要：
我国黄土广泛分布于西北、华北和东北地区,其中部分黄土地区属于季节性冻土区,在反复冻融作用下,易诱发如路基翻浆冒泥、不均匀沉降等工程问题以及边坡滑坡、崩塌、剥落等地质灾害。在这种背景下,玄武岩纤维因其卓越的力学性能、经济性和绿色可持续性,在黄土路基和边坡加固应用上拥有良好的工程前景。因此,研究冻融循环作用下纤维加筋黄土的强度特性意义重大。
本文以玄武岩纤维加筋黄土为研究对象,通过开展室内固结不排水三轴试验,对不同冻融循环次数和纤维掺量条件下纤维加筋黄土的宏观强度特性进行系统性研究,从应力应变特性、有效抗剪强度指标、强度影响评价指标等方面揭示纤维加筋优化效应和冻融循环劣化效应对黄土强度特性的影响规律。采用单向冻结-双向融化温度边界加载设备,开展单向冻结-双向融化循环作用下纤维加筋黄土的CT扫描试验,对经历不同冻融循环次数下纤维加筋黄土的二维、三维细观结构变化特征进行分析,从“面”和“体”结合角度探究纤维加筋黄土的冻融劣化机制;结合水分迁移-含水率测定试验,对沿垂直深度方向的面孔隙率和水分场分布情况进行监测,分析水分迁移作用对纤维加筋黄土细观结构损伤演化的影响规律,探究冻融边界条件与细观结构变化规律之间的定量关系。在应变等价原理和连续介质理论的基础上,综合三轴试验结果建立冻融-荷载耦合作用下纤维加筋黄土的统计损伤本构模型。研究表明:
（1）冻融循环对土体的宏观强度特性有着较为显著的影响。冻融前后,素黄土应力-应变曲线类型由应变硬化型向软化型转变,纤维加筋黄土的应力-应变曲线类型均表现为应变硬化型。随冻融循环次数的增加,土体的破坏偏差应力、弹性模量以及有效粘聚力的劣化程度越来越高,但劣化速率和幅值不断衰减,表现为显著的非线性衰减劣化现象,例如,当围压σ3=200k Pa、纤维掺量η=0.6%时,试样在经历冻融循环1、3、5、10次后的破坏偏差应力劣化率分别为14.8%、26.5%、29.5%、32.1%。纤维的掺入对土体的宏观强度特性起到较强的优化效果,其优化效果呈现抛物线型发展趋势,例如,当围压σ3=200k Pa、冻融循环次数N=1时,试样在纤维掺量η=0.3%、0.6%、0.8%时的破坏偏差应力提升率分别为16.1%、44.1%、21.3%,均有显著的强度提升,且存在最优纤维掺量0.6%。土体的有效粘聚力对冻融和纤维掺量的敏感性高于有效内摩擦角,据此引入强度影响评价指标S,探究发现纤维对土体强度的优化能力总体上强于冻融损伤的劣化能力。破坏偏差应力与最大超静孔压之间随冻融次数和纤维掺量的变化均呈负相关性关系,表明孔裂隙的生成发育是诱发土体强度劣化的原因。
（2）冻融循环作用下,纤维加筋黄土的细观结构损伤规律（孔隙率、分形维数等）呈现为显著的衰减劣化特征。纤维的掺入能够有效削弱冻融循环作用对细观结构的损伤,且存在最优纤维掺量η=0.6%。这与宏观强度参量如破坏偏差应力的变化趋势相一致,说明研究细观结构损伤规律对于解释和预测冻融循环影响下的宏观力学行为至关重要。未受冻融影响的试样,其面孔隙率围绕体孔隙率发生波动。而对于受冻融影响的试样,在单向冻结-双向融化循环作用的驱动下,孔隙水沿垂直深度发生水分迁移,引起水分场重分布,水分迁移是导致面孔隙率曲线沿垂直方向出现“佝偻”状形态特征的原因。随着冻融次数的增多,含水率分布曲线和面孔隙率分布曲线变化幅值逐渐趋于稳定。纤维通过形成三维空间网状结构来抵抗孔裂隙的扩展和生成,其掺入未阻碍水分迁移,反而为水分迁移提供更多的孔隙通道。
（3）材料的损伤程度可通过弹性模量定量评估,不同损伤状态下的弹性模量可用未损伤材料的弹性模量表征,从而对应变等价原理进行推广,为冻融-荷载耦合作用下损伤本构模型的构建提供理论支撑。依据宏观唯象理论、连续介质理论及Drucker-Prager屈服准则,推导了冻融-荷载耦合作用下总损伤变量的表达式。分析表明,总损伤变量的劣化程度随冻融循环次数增加而加剧,但其劣化速率和幅度逐渐减小,与宏观强度参数如破坏偏差应力的变化趋势一致。所建立的损伤本构模型与试验结果吻合良好,破坏偏差应力的预测值较为精确,该模型能较好描述纤维加筋黄土的应力应变特性,且参数较少,具有一定的适用性和工程应用价值。
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