https://link.springer.com/article/10.1007/s11440-024-02359-z

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以下是对这项成果的简要介绍：

非饱和土的冻胀应变特性与饱和土存在显著差异。除常见的冻胀现象外，非饱和土还可能发生冻缩，进而导致地表不均匀变形和土性劣化。基质吸力与水 - 冰相变是影响土体冻胀应变特性的关键因素。

本研究针对不同初始基质吸力的粉质黏土试样，探究其在不同温度条件下的冻胀应变特性及内在机理。研究过程中，建立了土体温度与基质吸力之间的数学关系，可据此预测基质吸力的变化趋势；同时，结合低、高初始基质吸力冻结试样的细观结构，分析了不同冻胀应变特性的内在作用机制。

研究结果表明：初始基质吸力较低且在较低负温下冻结的试样易发生冻胀。当水 - 冰相变引起的土体体积膨胀量超过基质吸力增大所导致的体积收缩量时，土体发生冻胀；反之，则发生冻缩。不同初始基质吸力试样中的孔隙冰形态存在差异，这一差异反映了土体内部水 - 冰相变的程度。

此外，研究采用皮尔逊相关系数法，建立了适用于非饱和冻结粉质黏土的轴向冻胀应变经验模型，并通过试验数据验证了该模型的有效性。

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Fig. 1 The sampling sites

Fig. 2 Properties of the lean clay obtained by drilling

Fig. 3 The sample preparation procedure

Fig. 4 The Y'TZ-C freezing-thawing test machine and dial indicators

Fig. 5 Freezing strain test procedure
(Note: In the step cooling mode, the same sample is cooled to -10 °C after completing the test at -5 °C, and then cooled to -15 °C for further test after completing the test at -10 °C; in the direct cooling mode, different samples are direct-cooled to -5 °C, -10 °C or -15 °C)

Fig. 6 Variation of freezing strains with initial matric suction: a Direct cooling and b step cooling modes

Fig. 7 Variation of freezing strains with temperature: a Direct cooling and b step cooling modes

Fig. 8 Variation of water content of the samples with initial matric suction of 400 kPa before and after the freezing process: a Test results and b schematic

Fig. 9 Variation of unfrozen water content in samples with different initial matric suction during the freezing and thawing process

Fig. 10 The power function fitting model of SFCC

Fig. 11 Variaton of axial strain with unfrozen water content of samples with different initial matric suction

Fig. 12 Volume water content in samples with different initial matric suction and experienced different negative temperatures: a Volume unfrozen water content and b volume frozen water content

Fig. 13 The SWCC of the lean clay sample

Fig. 14 Variation of matric suction of samples frozen under different negative temperatures

Fig. 15 Variation of axial strain with matric suction  of samples frozen under different temperatures

Fig. 16 Variation of matric suction and frozen water content of samples with initial matric suction under different negative temperatures

Fig. 17 Mcsoscopic structure and freezing strain mechanism of samples with low(57 kPa) and high (400 kPa) initial matric suctions when step-cooling to -15°C

Fig. 18 Comparison between predicted and measured results

本研究在不同初始基质吸力及冻结温度条件下，对非饱和土的冻结应变特征进行了探讨，并从未冻水含量、基质吸力变化及细观结构角度阐释了土体冻胀与冻缩的内在机制，主要结论如下：

1. 土体冻结应变特征由冰水相变引起的体积膨胀与基质吸力增大引起的体积收缩共同决定。

2. 在初始基质吸力恒定条件下，土体冰水相变程度随未冻水含量增加而降低，导致体积膨胀减小；较高的初始基质吸力及较低的冻结温度会促使基质吸力增大，从而引起试样体积收缩。

3. 低初始基质吸力条件下，冰水相变显著，冰体呈条带状及片状；高初始基质吸力条件下，冰水相变程度低，冰体主要表现为晶体状。冰体形态可作为土体冰水相变程度的直接指示。

4. 通过相关分析发现，初始基质吸力与冻结温度共同决定土体冻结应变特征；所建立的经验模型可有效反映非饱和贫黏土轴向冻结应变随初始基质吸力及冻结温度的变化。

受仪器限制，尚未在更高初始基质吸力及更低冻结温度条件下对非饱和土试样冻结应变进行考察。后续研究可扩展试验参数范围及数据集，进一步探究试样冻结应变特征及其内在机制，并据此对经验模型进行完善。