凍土-混凝土界面凍結強度特征與形成機理研究

何鵬飛，馬 巍，穆彥虎，董建華，黃永庭,4

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凍土-混凝土界面凍結強度特征與形成機理研究

何鵬飛1,2,4，馬 巍1※，穆彥虎1，董建華3，黃永庭1,4

（1. 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，蘭州 730000； 2. 蘭州理工大學理學院，蘭州 730050；3. 蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050；4. 中國科學院大學工程科學學院，北京 100049）

在高寒區水利工程中，凍土與混凝土接觸界面的力學特性對于襯砌的穩定性和長期服役性能有著重要的影響。為研究凍土-混凝土界面凍結強度特征與形成機理，開展了試驗溫度為-1～-5 ℃，初始含水率為9.2%～20.8%，法向壓力為50～300 kPa條件下凍結黃土-混凝土界面直剪試驗。通過研究界面剪切應力-位移曲線特征，結合摩爾庫倫強度理論，將峰值強度分解為殘余強度和界面冰膠結強度，對凍土-混凝土界面凍結強度形成機制進行解釋。相應將界面黏聚力分解為峰值強度黏聚力和殘余強度黏聚力，界面摩擦系數分解為峰值強度摩擦系數和殘余強度摩擦系數。結果表明：界面冰膠結強度隨著試驗溫度下降而增大，但受法向壓力影響很小。在初始含水率為13.1%，法向壓力100 kPa時，試驗溫度由-1下降至-5 ℃，冰膠結強度由4.4增加至111.1 kPa。界面殘余強度隨著法向壓力增大而增加，但受試驗溫度影響很小。在含水率20.8%，試驗溫度-5 ℃時，法向壓力由50增加至300 kPa，殘余強度由34增加至177 kPa。界面峰值強度黏聚力隨溫度的降低呈指數增長，在含水率13.1%時，溫度由-1下降至-5 ℃，峰值強度黏聚力由35.09增加至148.05 kPa，而殘余強度黏聚力變化很小。界面處摩擦系數受試驗溫度影響較小。該研究可為寒區襯砌工程等凍土-構筑物接觸面結構建設提供參考。

凍土；應力；界面；凍土-混凝土接觸面；凍結強度；黏聚力；摩擦系數

0 引 言

凍土與混凝土接觸面問題廣泛存在于各種寒區工程結構中，尤其在水利工程中，凍結渠基土與混凝土襯砌界面間力學特性對渠道的穩定性和長期服役性能有重要影響。在中國，季節凍土區和多年凍土區分布面積分別占國土面積53.5%和21.5%[1]。在這些廣袤的寒區，修建有大量輸水渠道工程，由于區域緯度跨度較大，氣候復雜多樣，使得修建于寒區的渠道工程面臨嚴重的凍害問題，導致其使用壽命差別巨大[2]。其中一個重要問題為襯砌破壞問題，主要原因是基土凍脹力、襯砌與基土間凍結力及襯砌強度之間失去平衡，從而導致襯砌破壞，加劇渠道滲漏。通常使用結構力學方法對襯砌進行受力分析，將襯砌板簡化為壓彎組合變形構件，將凍結力、凍脹力進行簡化，結合襯砌抗裂強度推導得到襯砌板受力分布，用于襯砌強度校核。王正中等[3-5]建立了不同斷面渠道襯砌受力分析模型，研究表明凍脹力、凍結力最終都是最大切向凍結力的函數，只要得到凍結力的分布就可以對模型求解。孫杲辰等[6]引入線性斷裂力學建立了襯砌板斷裂力學破壞準則。宋玲等[7]考慮溫度對凍脹力的影響，對冬季輸水渠道襯砌進行受力分析，建立襯砌板厚度計算方法。肖旻等[8–10]等結合預制板襯砌接縫材料的剪切強度和襯砌受力模型，提出了一種凍脹破壞判斷準則。劉月等[11]研究基土水分場和溫度場對凍脹的影響，但沒有考慮基土與襯砌間凍結力。使用結構力學方法建立襯砌板力學模型，并考慮其他因素的影響對襯砌破壞位置成功進行了預測，但已有研究都將凍結力簡化為線性分布，且參數選取沒有明確試驗依據，這顯然會影響襯砌受力分析的精確性。因此，欲建立更加完善的襯砌板力學模型，必須考慮不同條件下的凍土-混凝土界面凍結強度的影響。

許多學者從不同角度開展了凍土與混凝土等構筑物界面凍結強度研究。Penner等[12]提出溫度對凍結強度的影響，得到經驗凍結強度計算公式。Bondarenko等[13]對凍土與巖石界面的瞬時凍結強度和長期凍結強度進行試驗研究，結果表明溫度對界面黏聚力的影響很大，但對界面摩擦角的影響很小。Ladanyi等[14-20]研究表明界面凍結強度受到冰、土、水等因素綜合作用，并用摩爾-庫侖公式描述凍結界面剪切強度。孫厚超等[21-24]對不同條件時凍土與混凝土界面凍結強度進行了試驗研究。呂鵬等[25]對界面凍結強度機理進行了描述，指出凍土與混凝土接觸面凍結強度受到垂直壓力、土體含水量、混凝土表面粗糙度、接觸面溫度及土樣物理性質等因素的影響。在常溫條件下，土體與接觸面的抗剪強度分為土顆粒與混凝土界面的黏結作用和土顆粒與界面之間摩擦作用。但是，當溫度降低到0 ℃以下后，土體與混凝土界面生成冰，此時凍結接觸面的峰值抗剪強度實際是凍結強度，其包括冰膠結力和土、未凍水與混凝土接觸面的黏聚力和摩擦力。在界面滑動破壞后，冰膠結力消失，剩余殘余強度由黏聚力和摩擦力組成。但文中僅給出定性的解釋，并沒有根據試驗數據進行定量的分析。

對凍土-混凝土界面凍結強度的研究已經被廣泛關注，已有研究成果均表明溫度對凍結強度影響很大。但是，在負溫條件下，界面凍結強度發揮機制以及冰對界面凍結強度發揮機制的影響的研究較少，而在負溫條件下，界面冰對凍結強度的影響很大。因此本文通過大量系統的凍土與混凝土界面凍結強度直剪試驗，考慮土體溫度和初始含水率的影響，分析冰對凍結強度的影響，并結合摩爾-庫侖強度理論對凍土-混凝土界面凍結強度的發揮機制進行深入探討，以期為寒區渠道襯砌受力分析和凍害機理研究提供基礎。

1 試驗材料及方法

本試驗在凍土工程國家重點實驗室的低溫冷庫中開展，通過直剪儀開展凍土-混凝土界面凍結強度剪切試驗，采集各時刻下凍土-混凝土界面的剪切應力和剪切位移，分析不同法向壓力、土體初始含水率和試驗溫度對界面凍結強度的影響。

1.1 試樣制備

試驗所用土料取自甘肅省永登縣境內(36°36￠342N，103°22￠052Ｅ，海拔1 917 m），為地表淺層Q4黃土。按照《土工試驗規程》[26]進行物理性質測試，物理指標如表1所示，屬于低液限黏土。試樣制備過程參考鄭劍鋒等[27]使用的試驗方法，包括混凝土試樣制備、土樣制備和凍土-混凝土試樣制備。

1.1.1 混凝土試樣制備

混凝土試樣制備過程共5步：1）使用直徑為61.8 mm高20 mm的環刀作為模具，在環刀內壁均勻涂抹一層凡士林；2）使用PO32.5普通硅酸鹽水泥拌合天然河沙制作混凝土砂漿，水泥、沙和水比例為1.8∶3∶1。由于試樣尺寸較小，剔除砂漿中礫石等較大顆粒；3）將混凝土砂漿均勻地裝入環刀中，抹平使混凝土樣厚度與環刀高度相同；4）將澆筑完成的混凝土試樣按照標準程序養護28 d[28]；5）使用千斤頂將混凝土試樣從環刀中頂出，選取厚度為20 mm的作為最終混凝土試樣。

1.1.2 土樣制備

土樣制備過程共2步：1）原狀土料自然風干后充分攪拌，然后碾壓過2 mm篩，使用烘干法測定初始含水率；2）按照預定含水率（9%、13%、17%和21%）拌合黃土與水，然后過2 mm篩裝入密封袋中12 h以使含水率均勻分布，使用烘干法測量土樣含水率作為實際含水率。

1.1.3 凍土-混凝土試樣制備

凍土-混凝土試樣使用高40 mm，內徑61.8 mm環刀作為試樣倉，制備過程共5步：1）用塑料膠帶將試樣倉一端封閉，將混凝土塊放置入試樣倉內靠近塑料膠帶一側；2）根據預定干密度和土樣含水率，稱取一定質量濕土均勻地裝入試樣倉中；3）使用凍土工程國家重點實驗室研制的標準壓樣機緩慢勻速的對裝入試樣倉的土樣施加壓力[29]，直到土樣高度到達20 mm，試樣中土體部分的干密度為1.68 g/cm3；4）使用保鮮膜對整個試樣倉包裹防止水分散失，然后放入–20 ℃冰箱中快速凍結24 h，待樣品完全凍結后，使用千斤頂將凍土-混凝土試樣從樣品艙中頂出，得到試驗樣品；5）將樣品重新包裹保鮮膜放入恒溫冰箱中按照試驗溫度恒溫24 h。

表1 試驗用土物理性質

1.2 試驗儀器

使用南京土壤儀器廠生產的ZJ四聯應變控制直剪儀開展凍土-混凝土界面凍結強度試驗。圖1a，1b分別為試驗儀器整體圖和剪切盒圖。剪切盒由上下2部分組成，上剪切盒高度20 mm，與測力計相連；下剪切盒高度20 mm，與加載電機相連。上下盒中間界面為剪切面，于是凍土-混凝土試驗樣品凍結界面正好與剪切面重合，直剪儀可自動記錄剪切盒水平位移及界面剪切力。直剪儀安裝在低溫實驗室，室內溫度可自動控制，控溫精度在±0.5 ℃，試驗中實時測量環境溫度，使其盡可能接近設定溫度。

圖1 剪切試驗儀器、剪切盒、試樣和試樣受力簡圖

1.3 試驗過程

參考Wen等[22]使用的試驗方法，本文中的試驗過程主要包括以下幾步：1）檢查試驗儀器與控制電腦連接狀態，確定控制軟件運行正常；2）將已經恒溫24 h的一組，共4個樣品放入直剪儀剪切盒中，調整測力環，然后加上蓋施加法向壓力，在控制軟件上對位移和剪切力清零，開始剪切；3）剪切過程中軟件可以自動記錄剪切位移和剪切力，并在軟件中繪制兩者變化規律圖，方便對試驗過程進行監控。

圖1c為試驗前凍土-混凝土樣品，凍土與混凝土接觸面正好在整個試樣的中間位置。圖1d為試驗時樣品受力簡圖，樣品上表面受均勻分布的法向壓力，上半部分受水平方向推力，使凍土部分向右運動，下半部分混凝土塊右側受水平方向反作用力，因此在接觸面處發生剪切變形，最終剪切破壞。試驗過程中控制變量包括：剪切模式為位移控制模式，剪切速率為0.8 mm/min的快剪試驗，法向應力設定為50、100、200、300 kPa，配置含水率為9.2%、13.1%、17.1%、20.8%。試驗溫度控制為19、–1、–3、–5 ℃。

2 試驗結果及分析

2.1 凍結界面剪切應力-剪切位移曲線特征

圖2為不同法向壓力和試驗溫度條件下凍土-混凝土界面剪切應力-剪切位移曲線圖。從圖2a中可以看出，當試驗溫度為–5 ℃時，曲線表現出明顯的后峰值強度階段應變軟化行為，即當應力超過峰值強度后，隨著位移的增加強度出現了明顯的下降。因為峰值強度過后，在凍土-混凝土界面處的膠結冰被剪斷，而膠結冰為脆性材料，因此會出現應力突然下降現象。隨著位移的增加，曲線到達殘余強度階段，應力基本不變，此時的剪切強度為接觸面摩擦力所提供。圖2b為試驗溫度–1 ℃時凍結界面剪切應力-剪切位移曲線，可以看到不同于–5 ℃時，曲線沒有明顯的應變軟化行為，應力到達峰值強度后進入殘余強度階段。這是因為–1 ℃接近土樣的凍結溫度[30]，此時界面處形成的膠結冰很少，界面凍結強度主要由摩擦力和土顆粒黏聚力提供，因此不會出現應力突然下降的應變軟化現象。

注：含水率為13.1%。

圖3為不同試驗溫度和含水率條件下凍土-混凝土界面剪切應力-剪切位移曲線圖。從圖3可以看出，隨著試驗溫度的降低，剪切應力-剪切位移曲線由塑性破壞逐漸向脆性破壞過渡。在溫度為19 ℃時，界面不存在冰晶，曲線出現弱軟化現象，因為在含水率較低時界面處黃土存在一定的結構性[29]。在溫度為–1 ℃時，由于土體含水率較低以及在–1 ℃時只有少量冰晶存在，從而對界面剪切強度的影響很小，因此曲線仍然表現出弱軟化現象。當溫度下降至–3和–5 ℃時，界面冰晶含量會明顯增多，冰晶的膠結力使得界面強度明顯增大，因此在破壞時表現為峰值強度后應力迅速下降，這是由于凍土-混凝土界面處大量冰晶發生脆性斷裂，使得試樣破壞形式為脆性破壞。隨著溫度由–1下降至–5 ℃，峰值強度由79.3增加至201.2 kPa，增加了154%。殘余強度由74.9增加至90.1 kPa，增加了20%，冰膠結強度由4.4增加至111.1 kPa。在含水率為20.8%條件下（如圖3b），試驗溫度由–1下降至–5 ℃，峰值強度增加了466%，殘余強度增加了40%，相比含水率13.1%條件下的剪切強度，其增漲幅度明顯增大。從圖3a、3b可以看到，試驗溫度對界面峰值強度的影響很大，這是因為土體中未凍水含量與試驗溫度有相關。當土體溫度降低至凍結溫度時，土體內水分開始凍結，使凍結界面冰晶含量增加，引起界面凍結強度增大[30]。圖4為2種不同初始含水率時土樣中未凍水含量隨溫度變化規律，可以看到當溫度從0下降至–5 ℃時，初始含水率為21.6%時土體中未凍水含量下降至7.1%，飽冰度達到70.3%，初始含水率為13%時土體中未凍水含量下降至5.9%，飽冰度達到34.3%。在相同負溫下，未凍水含量隨初始含水率增大而增大的原因是由于未凍水不但存在于土顆粒的外圍，而且也存在于冰晶之間。

注：法向壓力為100 kPa。

圖4 不同初始含水率時未凍水含量-溫度曲線

圖5為不同含水率和溫度時剪切應力-剪切位移曲線。圖5a為溫度為–1 ℃時曲線，可以看出不同含水率時曲線變化特征相似，沒有出現明顯的后峰值強度下降，峰值強度隨著含水率增大略有減小。從圖5b中可看到，當溫度為–5 ℃時，隨著含水率的增加，界面峰值強度明顯增大，含水率從9.2%增大至20.8%，峰值強度由113增大至399.5 kPa。這是由于–5 ℃時土體內大量自由水和部分弱結合水已經凍結，界面處產生大量膠結冰提供凍結力[22,30]。同時，從圖4中可以看到，溫度由0下降至–5 ℃，初始含水率為21.6%時土體未凍水含率下降至7.1%，初始含水率為13%時土體未凍水含量下降至5.9%，初始含水率較大的土體內會有更多冰生成，所以初始含水率增加，界面膠結冰對凍結強度貢獻增大，從而使峰值強度明顯增大。

注：法向壓力為100 kPa。

2.2 界面凍結強度特征分析

凍土-混凝土界面峰值強度由冰膠結強度和土與混凝土界面黏聚、摩擦作用構成，而殘余強度由黏聚作用、摩擦作用及少量重新凍結的膠結冰構成[25]。由于重新凍結的膠結冰很少，故忽略其在殘余強度中的貢獻，因此可以近似認為峰值強度減去殘余強度是界面冰膠結強度，這樣就可以分析界面冰對界面凍結強度的貢獻，可用式（1）描述界面凍結強度組成。

式中為峰值強度（kPa），為殘余強度（kPa），為冰膠結強度（kPa）。凍土和構筑物間凍結強度規律可用摩爾庫侖強度理論描述[13-14]，如式（2）所示，

式中c峰值強度對應黏聚力（峰值黏聚力），為峰值強度對應摩擦系數（峰值摩擦系數），為法向壓力。對應于式（1），如果將殘余強度引入摩爾庫侖公式中，就可得到殘余強度摩爾庫侖公式，如式（3）所示。

圖6a為試驗溫度–5 ℃、含水率20.8%時峰值強度、殘余強度和冰膠結強度隨法向壓力變化規律圖?？梢钥闯?，隨著法向壓力由50增大至300 kPa，峰值強度由48增加至277 kPa，殘余強度由34增加至177 kPa，而強度差也就是界面冰膠結強度變化很小，說明法向壓力對界面土顆粒與混凝土之間摩擦力的影響很大，而對界面處冰晶的膠結強度影響很小。圖6b為法向壓力100 kPa，初始含水率20.8%時峰值強度、殘余強度和冰膠結強度隨試驗溫度變化規律。可以看出隨著試驗溫度的降低，峰值抗剪強度明顯增大，而殘余強度略有增加，這是由于膠結冰的凍結力所引起峰值強度的變化，而殘余強度的增加是少量冰晶重新膠結造成。當溫度由–1降至–5 ℃時，峰值強度由71增大至399 kPa，殘余強度由71增大至109 kPa，冰膠結強度由0增大至290 kPa，說明溫度降低產生較大的凍結力，而對土顆粒與混凝土界面摩擦力的影響很小。圖6c為法向壓力100 kPa，溫度為–5 ℃時峰值強度、殘余強度和冰膠結強度隨初始含水率的變化規律。含水率由9.2%增大至20.8%，峰值強度由113增大至399 kPa，殘余強度由68增大至119 kPa，冰膠結強度由45增大至280 kPa，在此溫度下，界面處會形成大量冰晶，隨著含水率的增加，界面處冰晶含量相應增加，因此含水率增加導致峰值強度和冰膠結強度明顯增大，而殘余強度略有增加是因為滑動破壞后，隨著時間推移界面處會重新膠結小部分冰晶所致。

圖6 不同法向壓力、試驗溫度和含水率時峰值強度、殘余強度以及冰膠結強度變化規律

通過上述分析可知，法向壓力通過影響界面土顆粒與混凝土面摩擦力和黏聚力影響界面峰值強度，對冰膠結強度影響很小。溫度降低使界面冰晶增多從而使冰膠結強度明顯增大，對殘余強度的影響較小。在溫度較高時，含水率的增大對殘余強度和冰膠結強度影響較小，溫度較低時，含水率增大導致界面冰膠結強度明顯增大，殘余強度略有增加。

2.3 界面凍結強度發揮機制分析

在凍結狀態時，隨著溫度的降低，冰膠結強度對界面強度影響逐漸增大，溫度在界面凍結強度機理中是關鍵因素。因此，通過摩爾-庫侖強度理論描述界面凍結強度，并分析溫度對界面黏聚力和摩擦系數的影響以及界面凍結強度發揮機制。

通過摩爾-庫侖公式可計算得不同含水率和試驗溫度時凍土混凝土界面剪切強度指標，如表2所示?？梢钥闯?，在同一含水率時，隨著試驗溫度的降低，峰值黏聚力急劇增大，殘余黏聚力略有增大，而峰值摩擦系數和殘余摩擦系數無明顯變化趨勢。峰值黏聚力分為冰的膠結力及土顆粒與混凝土界面黏聚力，而殘余黏聚力主要為土顆粒與混凝土界面黏聚力，因此，可以判斷溫度通過影響界面冰膠結力進而影響峰值黏聚力，但溫度變化對殘余強度黏聚力、峰值摩擦系數和殘余摩擦系數影響較小，這也與文獻[14]中研究結果相似。

表2 凍土-混凝土界面剪切強度指標

將峰值黏聚力與溫度關系進行指數擬合，就可得到它隨溫度變化規律。在含水率為13.1%和20.8%時，峰值黏聚力和溫度關系分別為c=17.13e-0.43T和c=9.18e-0.72T，其相關系數均達到0.96以上。而殘余強度黏聚力、峰值摩擦系數和殘余摩擦系數均隨著溫度變化較小，可近似認為其不隨溫度變化，取平均值[14]。將上述參數代入摩爾-庫倫公式中，結合表2中數據，就可得到溫度范圍–1至–5 ℃，含水率13.1%時，考慮溫度變化的界面峰值強度公式（式（5））和殘余強度公式（式（6））。

式中為溫度，為法向壓力。

根據分析，界面冰膠結強度等于峰值強度減去殘余強度，將式（5）和式（6）代入式（1）就可得到界面處冰膠結強度隨溫度的變化規律。

使用同樣分析方法對溫度范圍–1至–5 ℃，含水率為20.8%時，界面峰值強度、殘余強度及界面冰膠結強度進行分析，見式（8）、式（9）和式（10）。

可以看到，峰值黏聚力、殘余黏聚力、峰值摩擦系數、殘余摩擦系數以及界面處冰膠結強度與含水率13.1%時有相似的變化規律，只是其中的參數發生變化。

2.4 討 論

在本文的分析中，只是從剪切應力-位移曲線和強度特征的宏觀變化中對凍土-混凝土界面凍結強度機理進行了解釋，但是在微觀層面上，界面在變形過程中，冰的變形過程、土體的變形過程以及它們兩者之間變形的疊加方式等問題尚不清楚。文中只通過3個溫度點的數據對黏聚力和摩擦系數進行了分析，參數樣本過少，導致擬合公式的適用性會受到影響，但是仍然可以反映這些參數的變化規律[22]。此外，由于試驗條件限制，沒有對冰與混凝土界面強度特性開展試驗，但可以推測，與凍土的抗壓強度變化規律類似，在含水率繼續增大的過程中，界面凍結強度會出現一個臨界值，這一臨界值與飽和含水率有關，當含水率超過臨界值后界面凍結強度會下降，并逐漸接近冰的強度[30-31]，這項工作將繼續推進。

3 結 論

為研究凍土與構筑物界面凍結強度，選取蘭州黃土和普通混凝土為材料，開展了溫度范圍–1～–5 ℃，含水率范圍9.2%～20.8%，法向壓力范圍50～300 kPa時，凍土-混凝土界面直剪試驗，得到不同條件時界面剪切強度變形規律，將峰值強度分解為冰膠結強度和殘余強度并結合摩爾庫侖強度理論對界面凍結強度發揮機制進行了分析，得到主要結論為：

1）不同試驗溫度和土體初始含水率對界面剪切應力-位移曲線形態有明顯影響。在試驗溫度為–5 ℃時，剪切應力-剪切位移曲線為應變軟化型，有明顯的后峰值強度應力下降現象。試驗溫度為–1 ℃時，剪切應力-剪切位移曲線在含水率較低時（9.2%，13.1%）為弱軟化型，在含水率較高時（17.1%，20.8%）為硬化型。

2）凍土-混凝土界面凍結強度可分解為殘余強度和界面處冰膠結強度。冰膠結強度受法向壓力影響較小，但受溫度和含水率影響明顯，隨著溫度的降低和含水率的增大，冰膠結強度在峰值強度中的貢獻逐漸增大。在初始含水率為13.1%，法向壓力100 kPa時，溫度由–1下降至–5 ℃，冰膠結強度由4.4增加至111.1 kPa。殘余強度受法向壓力影響較大，但受溫度和含水率影響較小。在含水率20.8%，溫度–5 ℃時，法向壓力由50增加至300 kPa，殘余強度由34增加至177 kPa。

3）凍土-混凝土界面凍結強度可用摩爾庫侖強度理論描述。界面峰值黏聚力受溫度和含水率影響明顯，其與溫度關系可用指數函數表示。在含水率13.1%時，試驗溫度由–1下降至–5 ℃，峰值黏聚力由35.09增加至148.05 kPa。界面摩擦系數和殘余黏聚力受試驗溫度影響很小。

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Study on freezing strength characteristics and formation mechanism of frozen soil-concrete interface

He Pengfei1,2,4, Ma Wei1※, Mu Yanhu1, Dong Jianhua3, Huang Yongting1,4

(1.730000,; 2.730050,; 3.730050,; 4.100049,)

The mechanical properties of frozen soil-concrete interface have a significant impact on lining stability and long-term service ability of water conservation projects and other infrastructures in cold regions. To investigate characteristic and development mechanism of freezing strength of frozen soil-concrete interface, a series of direct shear tests were conducted on frozen soil-concrete interface under various testing temperatures (-1,-3 and-5 ℃), initial water contents (9.2, 13.1, 17.1 and 20.8%) and normal stresses (50, 100, 200 and 300 kPa). The freezing strength of the frozen soil-concrete interface was divided into two parts, the residual strength and the ice cementing strength. Using the Mohr-Coulomb strength theory, the freezing strength development at the frozen soil-concrete interface was interpreted. Then, cohesion and friction coefficient at the interface of peak strength and residual strength were analyzed. The test results showed that the frozen soil-concrete interface with testing temperature of-5 ℃performs as strain softening behavior during the shearing. After reaching a peak shear stress, further horizontal displacement increase resulted in post-peak strain softening, causing a reduction in shear stress from peak to residual states. When the testing temperature is-1 ℃, the frozen soil-concrete interfaces with water content of 9.2 and 13.1% showed weak softening behavior. While with water content of 17.1 and 20.8%, the interfaces showed strain hardening behavior. The freezing strength of the frozen soil-concrete interface was affected by the initial water content. The larger the initial water content was, the greater freezing strength of the interface was. This was related to cementing ice increase at the interface with increasing water content. For example, when the testing temperature was-5 ℃, the freezing strength increased from 113 to 399.5 kPa with the initial water content increasing from 9.2% to 20.8%. The ice cementing strength at the interface also increased with testing temperature decreasing. It increased from 4.4 to 111.1 kPa with the testing temperature decreasing from-1 to-5 °C when the initial water content was 13.1% and the normal stress was 100 kPa. With the increase in normal stress, the residual strength of the frozen soil-concrete interface increased. When the initial water content was 20.8% and the testing temperature is-5 °C, the residual strength of the interface increased from 34 to 177 kPa with the normal stress increasing from 50 to 300 kPa. The testing temperature had no obvious influence on the friction coefficient and the cohesion of residual strength. Because the residual strength mainly came from interfacial friction, and the interfacial friction hardly depended on the testing temperature.When the initial water content was 13.1%, the cohesion of residual strength increased from 9.13 to 34.34 kPa and the friction coefficient of residual strength fluctuated between 0.49 and 0.63 with the testing temperature decreasing from-1 to-5 ℃. Relationship between the shear strength and the normal stress followed the Mohr-Coulomb law. A newly formula that describes relationship among the ice cementing strength, the testing temperature and the normal stress was established finally.

frozen soils; stress; interface; frozen soil-concrete interface; freezing strength; cohesion; fiction coefficient

何鵬飛，馬 巍，穆彥虎，董建華，黃永庭.凍土-混凝土界面凍結強度特征與形成機理研究[J]. 農業工程學報，2018，34(23)：127－133. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.015 http://www.tcsae.org

He Pengfei, Ma Wei, Mu Yanhu, Dong Jianhua, Huang Yongting. Study on freezing strength characteristics and formation mechanism of frozen soil-concrete interface [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 127－133. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.015 http://www.tcsae.org

2018-04-11

2018-10-17

國家重點研發計劃重點專項（2017YFC0405101）；國家自然科學基金（41630636，41772325）；國家自然科學基金新疆聯合基金重點項目（U1703244）

何鵬飛，講師，從事凍土力學與工程方面研究。 Email：hepf17@163.com

馬 巍，研究員，博士生導師，從事凍土力學與工程方面研究。Email：mawei@lzb.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.015

TV91

A

1002-6819(2018)-23-0127-07