凍融循環(huán)下改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能演變及損傷分形特征探究一、引言1.1研究背景與意義在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)蓬勃發(fā)展的當(dāng)下，對(duì)建筑材料的需求與日俱增。風(fēng)積砂作為一種廣泛分布于沙漠及周邊地區(qū)的天然材料，因儲(chǔ)量豐富、成本低廉，在道路、建筑、水利等工程領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，成為解決資源短缺問題的關(guān)鍵研究對(duì)象之一。然而，風(fēng)積砂的顆粒細(xì)小、級(jí)配不良、黏聚力低等特性，限制了其在工程中的直接應(yīng)用。為提升風(fēng)積砂的工程性能，諸多改良方法應(yīng)運(yùn)而生，包括添加水泥、石灰、粉煤灰等固化劑，以及與其他材料混合使用等。在我國北方和高海拔等寒冷地區(qū)，季節(jié)性凍土分布廣泛，工程結(jié)構(gòu)不可避免地會(huì)遭受凍融循環(huán)作用。凍融循環(huán)過程中，材料內(nèi)部的水分會(huì)發(fā)生相變，體積膨脹或收縮，進(jìn)而產(chǎn)生復(fù)雜的物理和力學(xué)變化，對(duì)材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能造成顯著影響。風(fēng)積砂改良土在凍融循環(huán)條件下的動(dòng)力性能變化，會(huì)直接威脅到工程結(jié)構(gòu)的安全與耐久性。目前，針對(duì)風(fēng)積砂的工程特性及改良方法已有大量研究，但對(duì)于凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能影響的研究仍存在不足。已有研究多集中在改良風(fēng)積砂的基本物理力學(xué)性質(zhì)，如強(qiáng)度、變形特性等，而對(duì)凍融循環(huán)作用下改良風(fēng)積砂的動(dòng)力性能演變規(guī)律、損傷機(jī)制及分形特征的研究相對(duì)較少。深入研究凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能的影響及損傷分形規(guī)律，有助于揭示改良風(fēng)積砂在復(fù)雜環(huán)境下的力學(xué)行為機(jī)制，為寒冷地區(qū)工程建設(shè)中改良風(fēng)積砂的合理應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)和技術(shù)支持，具有重要的理論意義和實(shí)際工程價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1風(fēng)積砂改良研究現(xiàn)狀風(fēng)積砂由于其自身特性在工程應(yīng)用中受到一定限制，因此國內(nèi)外學(xué)者開展了大量改良研究。在材料改良方面，常見的固化劑如水泥、石灰、粉煤灰等被廣泛應(yīng)用。任輝明等人通過試驗(yàn)研究了水泥改良風(fēng)積沙的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)隨著水泥摻量的增加，風(fēng)積沙的強(qiáng)度顯著提高。魯先龍對(duì)沙漠風(fēng)積沙地基進(jìn)行水泥固化及性能試驗(yàn)，結(jié)果表明水泥固化能有效提升風(fēng)積沙地基的承載能力。在添加劑改良方面，一些新型添加劑也逐漸應(yīng)用于風(fēng)積砂改良。有研究采用酶誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（EICP）技術(shù)，利用土豆脲酶對(duì)風(fēng)積沙進(jìn)行改良處理，試件表面形成堅(jiān)硬結(jié)皮層且抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)。在復(fù)合改良方面，多種材料復(fù)合改良風(fēng)積砂成為研究熱點(diǎn)。趙昊宇開展常規(guī)5%水泥摻量與不同含量粉土混摻條件下改性風(fēng)積沙凍融循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)5%水泥+15%粉土摻量改良風(fēng)積沙結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最強(qiáng)。1.2.2凍融循環(huán)對(duì)材料性能影響研究現(xiàn)狀凍融循環(huán)對(duì)各類材料性能的影響研究較為廣泛，涉及混凝土、巖土等材料。在混凝土領(lǐng)域，一般認(rèn)為混凝土在飽水狀態(tài)下因凍融循環(huán)產(chǎn)生的破壞作用稱為凍融破壞，其主要破壞形式有凍脹開裂和表面剝蝕，水在混凝土毛細(xì)孔中結(jié)冰造成的凍脹開裂使混凝土的彈性模量、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)性能嚴(yán)重下降。在巖土領(lǐng)域，針對(duì)凍融循環(huán)對(duì)巖土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響也有諸多研究。徐衛(wèi)衛(wèi)利用CT技術(shù)研究了不同摻量條件下土石結(jié)構(gòu)的滲透性能；董方方利用孔隙水顆粒和顆粒膨脹的方法模擬巖石凍融過程，研究其在凍融條件下的拉伸行為。對(duì)于風(fēng)積砂改良土，凍融循環(huán)作用下其力學(xué)性能變化研究也逐漸受到關(guān)注。趙昊宇研究發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加，改良風(fēng)積沙抗壓和抗破壞變形能力下降明顯；任昆開展不同凍融循環(huán)次數(shù)下改良風(fēng)積砂土的計(jì)算機(jī)斷層掃描術(shù)（CT技術(shù)）試驗(yàn)及三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)（CU試驗(yàn)），發(fā)現(xiàn)改良土經(jīng)凍融作用后內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)較大變化。1.2.3損傷分形規(guī)律研究現(xiàn)狀分形理論在材料損傷研究中得到了一定應(yīng)用。吳安利研究了凍融循環(huán)作用下古建筑青磚的表觀形貌、質(zhì)量損失率、相對(duì)動(dòng)彈性模量、抗壓強(qiáng)度及孔結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，并結(jié)合分形理論建立了分形維數(shù)與抗壓強(qiáng)度、孔隙率及抗凍性能的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)青磚內(nèi)部孔具有明顯的分形特征，分形維數(shù)可用于評(píng)價(jià)青磚微觀孔結(jié)構(gòu)變化及反映孔結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀性能的影響。在巖土材料損傷分形研究方面，部分學(xué)者通過分形理論分析了巖土體在荷載、凍融等作用下的損傷演化規(guī)律，但針對(duì)凍融循環(huán)作用下改良風(fēng)積砂損傷分形規(guī)律的研究相對(duì)較少。盡管目前在風(fēng)積砂改良、凍融循環(huán)對(duì)材料性能影響以及損傷分形規(guī)律等方面取得了一定成果，但仍存在一些不足。現(xiàn)有研究多集中于單一改良方法對(duì)風(fēng)積砂基本物理力學(xué)性質(zhì)的影響，對(duì)于多種改良方法協(xié)同作用以及改良風(fēng)積砂在復(fù)雜環(huán)境（如凍融循環(huán)與荷載耦合）下的性能變化研究不夠深入。在凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能影響方面，相關(guān)研究成果相對(duì)匱乏，尤其缺乏對(duì)動(dòng)力特性參數(shù)（如動(dòng)彈性模量、阻尼比等）在凍融循環(huán)過程中的演變規(guī)律研究。在損傷分形規(guī)律研究中，針對(duì)改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下的損傷分形模型構(gòu)建及分形參數(shù)與宏觀力學(xué)性能之間的定量關(guān)系研究還存在空白，有待進(jìn)一步深入探究。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容（1）改良風(fēng)積砂基本物理力學(xué)性質(zhì)研究。對(duì)不同改良方法（如水泥、石灰、粉煤灰等固化劑改良，以及與其他材料混合改良）下的風(fēng)積砂進(jìn)行基本物理性質(zhì)測(cè)試，包括顆粒分析、比重、含水率、密度等，掌握風(fēng)積砂改良前后物理性質(zhì)的變化。開展常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)，如無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)等，分析改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度特性和變形規(guī)律，確定不同改良方案下改良風(fēng)積砂的力學(xué)性能指標(biāo)。（2）凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能影響研究。設(shè)計(jì)不同凍融循環(huán)次數(shù)（如0次、5次、10次、15次、20次等）和不同凍融條件（包括不同的凍結(jié)溫度、融化溫度、凍融速率等）下的改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能試驗(yàn)，采用動(dòng)三軸試驗(yàn)等設(shè)備，測(cè)試改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用后的動(dòng)彈性模量、阻尼比、動(dòng)強(qiáng)度等動(dòng)力特性參數(shù)。分析凍融循環(huán)次數(shù)、凍融條件對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能參數(shù)的影響規(guī)律，探討不同改良方法下改良風(fēng)積砂抵抗凍融循環(huán)破壞的能力差異。研究改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)過程中的微觀結(jié)構(gòu)變化，利用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等微觀測(cè)試手段，觀察凍融循環(huán)前后改良風(fēng)積砂內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)、顆粒排列等微觀特征的變化，分析微觀結(jié)構(gòu)變化與宏觀動(dòng)力性能演變之間的內(nèi)在聯(lián)系。（3）改良風(fēng)積砂凍融損傷分形規(guī)律研究。基于分形理論，采用圖像處理技術(shù)對(duì)凍融循環(huán)后的改良風(fēng)積砂微觀結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行分析，計(jì)算其分形維數(shù)，建立改良風(fēng)積砂凍融損傷的分形模型，研究分形維數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)、改良方法、動(dòng)力性能參數(shù)之間的定量關(guān)系。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，探討分形維數(shù)作為改良風(fēng)積砂凍融損傷指標(biāo)的可行性和有效性，為評(píng)估改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下的損傷程度提供新的方法和依據(jù)。（4）基于損傷分形的改良風(fēng)積砂本構(gòu)模型建立。綜合考慮凍融循環(huán)作用、改良風(fēng)積砂的力學(xué)特性和損傷分形規(guī)律，引入損傷變量和分形參數(shù)，建立能反映改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)條件下力學(xué)行為的本構(gòu)模型。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)建立的本構(gòu)模型進(jìn)行驗(yàn)證和參數(shù)優(yōu)化，分析本構(gòu)模型的合理性和準(zhǔn)確性，為寒冷地區(qū)工程建設(shè)中改良風(fēng)積砂的力學(xué)分析和設(shè)計(jì)提供理論支持。1.3.2研究方法（1）試驗(yàn)研究法。室內(nèi)試驗(yàn)是獲取數(shù)據(jù)的重要手段，包括風(fēng)積砂改良試驗(yàn)，按照不同改良方案，在實(shí)驗(yàn)室制備改良風(fēng)積砂試件，控制固化劑摻量、添加劑種類及摻量、混合材料比例等因素。凍融循環(huán)試驗(yàn)，使用凍融循環(huán)試驗(yàn)箱，模擬不同的凍融條件對(duì)改良風(fēng)積砂試件進(jìn)行凍融循環(huán)處理，確保試驗(yàn)條件的可重復(fù)性和準(zhǔn)確性。物理力學(xué)性能測(cè)試試驗(yàn)，采用各類力學(xué)試驗(yàn)設(shè)備，如無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、直剪儀、動(dòng)三軸儀等，對(duì)凍融循環(huán)前后的改良風(fēng)積砂試件進(jìn)行物理力學(xué)性能測(cè)試。微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試試驗(yàn)，利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察改良風(fēng)積砂的微觀形貌，壓汞儀（MIP）測(cè)定孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，為微觀結(jié)構(gòu)分析提供數(shù)據(jù)支持。（2）理論分析法?；谕亮W(xué)、材料力學(xué)、分形理論等相關(guān)學(xué)科理論，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析。在分析凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能影響時(shí)，運(yùn)用土動(dòng)力學(xué)理論解釋動(dòng)彈性模量、阻尼比等參數(shù)的變化機(jī)制；在研究損傷分形規(guī)律時(shí)，依據(jù)分形理論建立分形模型，推導(dǎo)分形維數(shù)與各因素之間的關(guān)系。結(jié)合微觀結(jié)構(gòu)測(cè)試結(jié)果，從微觀角度闡述改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下的力學(xué)行為和損傷演化機(jī)理，為宏觀力學(xué)性能的分析提供理論依據(jù)。（3）數(shù)值模擬法。利用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）建立改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)條件下的數(shù)值模型。在模型中考慮材料的物理力學(xué)參數(shù)、凍融循環(huán)邊界條件以及損傷演化機(jī)制，通過數(shù)值模擬分析改良風(fēng)積砂在不同工況下的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律，以及凍融損傷的發(fā)展過程。將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，進(jìn)一步完善數(shù)值模型，為工程實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)值模擬參考。通過數(shù)值模擬，可以預(yù)測(cè)改良風(fēng)積砂在復(fù)雜工程環(huán)境下的性能表現(xiàn)，為工程設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)指導(dǎo)。二、風(fēng)積砂及改良方法概述2.1風(fēng)積砂基本特性風(fēng)積砂是在風(fēng)力作用下堆積形成的砂質(zhì)沉積物，廣泛分布于沙漠、戈壁及周邊地區(qū)。其基本特性對(duì)工程應(yīng)用有著重要影響，下面將從顆粒組成、礦物成分、物理力學(xué)性質(zhì)等方面進(jìn)行詳細(xì)介紹。2.1.1顆粒組成風(fēng)積砂的顆粒組成較為單一，粒徑主要集中在0.075-0.25mm之間，多為粉細(xì)砂。以南疆盆地風(fēng)積砂為例，其粒徑組為0.075-0.250mm的粉細(xì)砂含量在90%，粒徑組大于0.250mm的含量非常少，不到1.0%，粒徑組小于0.075mm的含量少于9.0%。反映風(fēng)積砂均勻程度指標(biāo)不均勻系數(shù)Cu一般為1.5-3.8，曲率系數(shù)Cc多在1.0-2.5，中值粒徑d50為0.1-0.2mm，屬于級(jí)配不良粉細(xì)砂或粉土質(zhì)砂。這種顆粒組成特點(diǎn)使得風(fēng)積砂的級(jí)配不良，顆粒之間的相互嵌鎖作用較弱。在實(shí)際工程中，級(jí)配不良會(huì)導(dǎo)致風(fēng)積砂的密實(shí)度較難提高，影響其作為建筑材料的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。例如在道路工程中，若直接使用級(jí)配不良的風(fēng)積砂作為路基填料，在車輛荷載的反復(fù)作用下，路基容易出現(xiàn)變形、沉降等問題。2.1.2礦物成分風(fēng)積砂的礦物成分主要包括石英、長石、云母等。粒徑大于0.25mm的幾乎全是石英，粒徑在0.250-0.075mm的以石英、長石、云母為主，其次還分布有少量輝石、角閃石、方解石等，粒徑小于0.075mm的則含有黏土礦物等。這些礦物成分決定了風(fēng)積砂的一些物理化學(xué)性質(zhì)。石英硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)，使得風(fēng)積砂具有一定的耐磨性和耐久性；而黏土礦物的存在則會(huì)對(duì)風(fēng)積砂的吸水性、可塑性等產(chǎn)生影響。在某些工程環(huán)境中，風(fēng)積砂中的礦物成分可能會(huì)與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而影響其工程性能。在潮濕環(huán)境下，風(fēng)積砂中的云母等礦物可能會(huì)發(fā)生水解，降低風(fēng)積砂的強(qiáng)度。2.1.3物理力學(xué)性質(zhì)（1）密度與含水率：風(fēng)積砂的相對(duì)質(zhì)量密度一般為2.68-2.70，天然密度為1.40-1.80g/cm3，天然含水率在0.0%-10.0%，含水率越小天然密度也越小。在沙漠地區(qū)，風(fēng)積砂丘天然含水率小于1.0%，天然密度為1.4g/cm3，而接近綠洲區(qū)，含水率和天然密度逐漸增大，含水率最高可達(dá)10%，天然密度達(dá)到1.8g/cm3。含水率對(duì)風(fēng)積砂的物理力學(xué)性質(zhì)有著顯著影響。當(dāng)含水率較低時(shí)，風(fēng)積砂顆粒間的摩擦力較大，呈松散狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度較低；隨著含水率的增加，顆粒間的潤滑作用增強(qiáng)，抗剪強(qiáng)度有所提高，但當(dāng)含水率過高時(shí)，風(fēng)積砂會(huì)變得過于飽和，強(qiáng)度反而下降。在道路施工中，若風(fēng)積砂含水率過高，碾壓時(shí)容易出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象，無法達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度。（2）密實(shí)程度：微觀密實(shí)程度指標(biāo)孔隙比e在0.4-1.0，孔隙率n為0.4-0.8，密實(shí)程度隨厚度（埋深）增大有所提高。宏觀密實(shí)程度指標(biāo)相對(duì)密實(shí)度Dr，地表的Dr值大多小于0.33，密實(shí)度分類屬于松散；3.0m以下，密實(shí)度有所提高，其Dr值可達(dá)0.50，密實(shí)度分類屬于中等密實(shí)；5.0m以下Dr值可大于0.67，密實(shí)度分類屬于中等密實(shí)-密實(shí)。密實(shí)程度直接關(guān)系到風(fēng)積砂的承載能力和穩(wěn)定性。密實(shí)度較低的風(fēng)積砂在承受荷載時(shí)容易發(fā)生變形和破壞，而密實(shí)度較高的風(fēng)積砂則具有較好的工程性能。在建筑地基處理中，若風(fēng)積砂地基密實(shí)度不足，可能導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)沉降過大，影響建筑物的安全使用。（3）壓縮變形性：風(fēng)積砂屬單粒松散結(jié)構(gòu)，顆粒之間基本無粘結(jié)，其壓縮性取決于顆粒級(jí)配、顆粒形態(tài)、原始孔隙比和相對(duì)密度等。在外力作用下壓縮變形速度很快，變形大部分屬于永久變形，彈性變形部分很小，即通常壓力作用下風(fēng)積砂的壓縮變形是顆粒移動(dòng)和結(jié)構(gòu)變形的結(jié)果。地表表層風(fēng)積砂的壓縮系數(shù)a1-2大多大于0.5MPa?1，壓縮模量Es基本小于5MPa，屬于高壓縮性土，變形性很強(qiáng)。隨著厚度（埋深）增加，壓縮系數(shù)逐漸變小，逐漸變?yōu)橹械葔嚎s和低壓縮性土。在工程建設(shè)中，風(fēng)積砂的壓縮變形性會(huì)影響基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和建筑物的沉降。對(duì)于高壓縮性的風(fēng)積砂地基，需要采取有效的地基處理措施，如強(qiáng)夯、換填等，以減少地基的沉降量。（4）抗剪（剪斷）性：風(fēng)積砂的抗剪（剪斷）主要指標(biāo)為粘聚力C和內(nèi)摩擦角ψ，該指標(biāo)值一般較小，反映風(fēng)積砂抗剪（剪斷）的能力弱。粘聚力C值很小，約1.0kPa，甚至可以忽略不計(jì)，主要是由砂粒間咬合剪脹引起。內(nèi)摩擦角ψ一般不大，為20°左右，其值受顆粒組成、顆粒型態(tài)、礦物成分、密實(shí)程度和剪切速率控制。風(fēng)積砂抗剪能力弱的特點(diǎn)限制了其在一些對(duì)穩(wěn)定性要求較高的工程中的應(yīng)用。在邊坡工程中，若使用風(fēng)積砂作為邊坡材料，容易發(fā)生滑坡等失穩(wěn)現(xiàn)象，需要采取加固措施來提高邊坡的穩(wěn)定性。（5）承載力：風(fēng)積砂的承載力一般較小，尤其是地表承載力值較小，不經(jīng)過處理不宜直接修建建筑物。但隨著埋深和密實(shí)度增大，承載力有所提高。根據(jù)在南疆五地州和前人工程經(jīng)驗(yàn)可知，南疆盆地風(fēng)積砂承載力值fa一般為50-120kPa，變形模量Eo多在5.0-15.0MPa。在進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，需要根據(jù)風(fēng)積砂的承載力情況合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)形式和尺寸，對(duì)于承載力不足的風(fēng)積砂地基，要進(jìn)行加固處理，以滿足建筑物的承載要求。（6）擊實(shí)特性：天然狀態(tài)下的風(fēng)積砂基本為松散狀態(tài)，工程性能很差，承載力低，回彈模量小，變形性大。通過擊實(shí)試驗(yàn)可以改善風(fēng)積砂的密實(shí)度，提高其工程性能。在一定的擊實(shí)功作用下，風(fēng)積砂的干密度會(huì)逐漸增大，當(dāng)達(dá)到最佳含水率時(shí)，干密度達(dá)到最大值。在道路路基填筑中，需要控制好風(fēng)積砂的含水率和擊實(shí)功，以確保路基的壓實(shí)度和強(qiáng)度。2.2風(fēng)積砂改良方法由于風(fēng)積砂的固有特性限制了其在工程中的直接應(yīng)用，為提高風(fēng)積砂的工程性能，常采用多種改良方法，主要包括物理改良、化學(xué)改良以及生物改良等。這些改良方法通過不同的作用機(jī)制，改善風(fēng)積砂的顆粒級(jí)配、力學(xué)性質(zhì)和穩(wěn)定性，以滿足各類工程的需求。2.2.1水泥改良水泥改良是一種常見的風(fēng)積砂化學(xué)改良方法。水泥的主要成分包括硅酸三鈣（3CaO?SiO?）、硅酸二鈣（2CaO?SiO?）、鋁酸三鈣（3CaO?Al?O?）和鐵鋁酸四鈣（4CaO?Al?O??Fe?O?）等。在水泥改良風(fēng)積砂的過程中，水泥遇水后發(fā)生水化反應(yīng)。硅酸三鈣與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣（C-S-H）凝膠和氫氧化鈣（Ca(OH)?），其反應(yīng)式為：2(3CaO?SiO?)+6H?O=3CaO?2SiO??3H?O+3Ca(OH)?；硅酸二鈣與水反應(yīng)生成水化硅酸鈣凝膠和氫氧化鈣，反應(yīng)式為：2(2CaO?SiO?)+4H?O=3CaO?2SiO??3H?O+Ca(OH)?。這些水化產(chǎn)物填充在風(fēng)積砂顆粒之間的孔隙中，將松散的風(fēng)積砂顆粒膠結(jié)在一起，從而提高風(fēng)積砂的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。C-S-H凝膠具有較高的粘結(jié)性和強(qiáng)度，能夠有效增強(qiáng)風(fēng)積砂顆粒間的連接，使改良后的風(fēng)積砂形成一個(gè)整體結(jié)構(gòu)。氫氧化鈣則與風(fēng)積砂中的活性成分發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，如與二氧化硅（SiO?）反應(yīng)生成水化硅酸鈣，進(jìn)一步提高改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度。水泥改良風(fēng)積砂的效果受多種因素影響。水泥摻量是一個(gè)關(guān)鍵因素，一般來說，隨著水泥摻量的增加，改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度顯著提高。當(dāng)水泥摻量從3%增加到6%時(shí)，風(fēng)積砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可提高數(shù)倍。養(yǎng)護(hù)時(shí)間也對(duì)改良效果有重要影響，隨著養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長，水泥的水化反應(yīng)更加充分，改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度不斷增長。在7天養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，改良風(fēng)積砂強(qiáng)度增長較為明顯，而在28天養(yǎng)護(hù)期后，強(qiáng)度增長趨于平緩。此外，風(fēng)積砂的初始含水率、顆粒級(jí)配等因素也會(huì)影響水泥改良的效果。2.2.2石灰改良石灰改良也是一種常用的化學(xué)改良方法。石灰的主要成分是氧化鈣（CaO），當(dāng)石灰與水混合后，發(fā)生消解反應(yīng)生成氫氧化鈣，反應(yīng)式為：CaO+H?O=Ca(OH)?。在風(fēng)積砂改良過程中，氫氧化鈣與風(fēng)積砂中的活性二氧化硅和氧化鋁發(fā)生火山灰反應(yīng)。生成水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣等膠凝物質(zhì)，這些膠凝物質(zhì)填充在風(fēng)積砂顆?？紫吨?，起到膠結(jié)作用，從而提高風(fēng)積砂的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。其反應(yīng)式如下：xCa(OH)?+SiO?+nH?O=xCaO?SiO??(n+1)H?O；yCa(OH)?+Al?O?+mH?O=yCaO?Al?O??(m+1)H?O。石灰改良風(fēng)積砂的效果同樣受多種因素影響。石灰摻量對(duì)改良效果有顯著影響，適當(dāng)增加石灰摻量可以提高改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度，但摻量過高可能會(huì)導(dǎo)致土體開裂等問題。一般適宜的石灰摻量在5%-10%之間。養(yǎng)護(hù)條件也很重要，保持一定的濕度和溫度有利于石灰與風(fēng)積砂的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，從而提高改良效果。在潮濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)的改良風(fēng)積砂強(qiáng)度增長比干燥環(huán)境下更為明顯。2.2.3粉土混摻粉土混摻屬于物理改良方法。風(fēng)積砂顆粒級(jí)配不良，而粉土具有一定的粘聚力和細(xì)顆粒含量。將粉土與風(fēng)積砂混合后，粉土中的細(xì)顆?？梢蕴畛湓陲L(fēng)積砂顆粒之間的孔隙中，改善風(fēng)積砂的顆粒級(jí)配。使風(fēng)積砂的密實(shí)度提高。同時(shí)，粉土的粘聚力可以增強(qiáng)風(fēng)積砂顆粒間的連接，從而提高風(fēng)積砂的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。粉土混摻的改良效果與粉土的摻量和性質(zhì)密切相關(guān)。研究表明，當(dāng)粉土摻量在10%-30%時(shí)，改良效果較為明顯。不同性質(zhì)的粉土對(duì)改良效果也有差異，塑性指數(shù)適中的粉土能更好地改善風(fēng)積砂的性能。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)風(fēng)積砂和粉土的具體性質(zhì)，通過試驗(yàn)確定最佳的粉土摻量。在某道路工程中，通過試驗(yàn)確定了粉土摻量為20%時(shí)，改良風(fēng)積砂的壓實(shí)度和強(qiáng)度滿足道路路基的要求。2.2.4其他改良方法除了上述常見的改良方法外，還有一些其他的改良手段。采用粉煤灰改良風(fēng)積砂，粉煤灰是一種工業(yè)廢料，主要成分包括二氧化硅、氧化鋁、氧化鐵等。粉煤灰中的活性成分與水泥、石灰類似，能夠與風(fēng)積砂中的成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成膠凝物質(zhì)，從而提高風(fēng)積砂的性能。利用纖維材料（如聚丙烯纖維、玻璃纖維等）改良風(fēng)積砂，纖維材料可以在風(fēng)積砂中形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，增加風(fēng)積砂的抗拉強(qiáng)度和韌性，提高其抵抗變形和破壞的能力。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)工程的具體要求、風(fēng)積砂的特性以及當(dāng)?shù)氐牟牧腺Y源等因素，綜合考慮選擇合適的改良方法。對(duì)于對(duì)強(qiáng)度要求較高的道路基層工程，可采用水泥改良風(fēng)積砂；對(duì)于對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求較高且對(duì)強(qiáng)度要求相對(duì)較低的一些次要工程，粉土混摻改良方法可能更為合適。還可以采用多種改良方法相結(jié)合的方式，以達(dá)到更好的改良效果。采用水泥和石灰復(fù)合改良風(fēng)積砂，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，可使改良風(fēng)積砂的性能得到更全面的提升。三、凍融循環(huán)作用原理及試驗(yàn)方案3.1凍融循環(huán)作用原理凍融循環(huán)是指材料在低溫下凍結(jié)和高溫下融化的交替過程，這一過程在自然界中廣泛存在，尤其在寒冷地區(qū)的季節(jié)性凍土區(qū)域。對(duì)于改良風(fēng)積砂而言，凍融循環(huán)作用會(huì)引發(fā)一系列復(fù)雜的物理和力學(xué)變化，深刻影響其工程性能。當(dāng)改良風(fēng)積砂處于凍結(jié)過程時(shí)，孔隙中的水分會(huì)逐漸結(jié)冰。水在結(jié)冰時(shí)，體積會(huì)膨脹約9%。這一膨脹現(xiàn)象會(huì)在改良風(fēng)積砂內(nèi)部產(chǎn)生巨大的凍脹力。在微觀層面，凍脹力會(huì)使風(fēng)積砂顆粒間的相對(duì)位置發(fā)生改變，破壞原有的顆粒排列結(jié)構(gòu)。原本緊密排列的顆?？赡軙?huì)被冰晶撐開，導(dǎo)致孔隙增大，顆粒間的接觸點(diǎn)減少，從而削弱顆粒間的相互作用力。在宏觀層面，凍脹力可能會(huì)導(dǎo)致改良風(fēng)積砂試件整體體積膨脹，產(chǎn)生變形。若試件受到外部約束，無法自由膨脹，內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)引發(fā)裂縫的產(chǎn)生。在融化過程中，冰逐漸融化成水，體積收縮。此時(shí)，改良風(fēng)積砂內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變。融化后的水會(huì)填充因冰融化而產(chǎn)生的空隙，使得顆粒間的潤滑作用增強(qiáng)。在多次凍融循環(huán)后，隨著裂縫的不斷擴(kuò)展和孔隙結(jié)構(gòu)的持續(xù)變化，改良風(fēng)積砂的微觀結(jié)構(gòu)逐漸劣化。顆粒間的聯(lián)結(jié)不斷被削弱，導(dǎo)致其力學(xué)性能下降。凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂強(qiáng)度的影響顯著。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良風(fēng)積砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等指標(biāo)會(huì)逐漸降低。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)破壞了水泥、石灰等固化劑與風(fēng)積砂顆粒之間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，使得膠結(jié)力減弱。凍融循環(huán)導(dǎo)致的孔隙結(jié)構(gòu)變化也降低了顆粒間的咬合力，從而降低了改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度。在變形特性方面，凍融循環(huán)會(huì)使改良風(fēng)積砂的壓縮性增大。在相同荷載作用下，經(jīng)過多次凍融循環(huán)的改良風(fēng)積砂試件會(huì)產(chǎn)生更大的變形。這是由于凍融循環(huán)破壞了材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使其抵抗變形的能力下降。在實(shí)際工程中，這種變形特性的變化可能會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)沉降增大、道路路面不平整等問題，影響工程的正常使用。凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能的影響主要體現(xiàn)在動(dòng)彈性模量和阻尼比的變化上。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良風(fēng)積砂的動(dòng)彈性模量逐漸降低，這意味著材料在動(dòng)荷載作用下的剛度減小，更容易發(fā)生變形。阻尼比則會(huì)逐漸增大，表明材料在振動(dòng)過程中消耗能量的能力增強(qiáng)。這種動(dòng)力性能的變化會(huì)影響改良風(fēng)積砂在地震、交通荷載等動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)，可能導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)的振動(dòng)加劇，安全性降低。凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂的作用是一個(gè)復(fù)雜的物理力學(xué)過程，涉及到水分相變、體積變化、微觀結(jié)構(gòu)改變以及宏觀力學(xué)性能劣化等多個(gè)方面。深入理解這些作用原理，對(duì)于研究凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能的影響及損傷分形規(guī)律具有重要意義。3.2試驗(yàn)材料與設(shè)備3.2.1試驗(yàn)材料（1）風(fēng)積砂：試驗(yàn)所用風(fēng)積砂取自[具體地點(diǎn)]沙漠地區(qū)。該地區(qū)風(fēng)積砂顆粒細(xì)小，級(jí)配不良。對(duì)其進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)，采用篩分法和激光粒度分析儀相結(jié)合的方式，結(jié)果表明粒徑主要集中在0.075-0.25mm之間，含量占比約為85%，不均勻系數(shù)Cu為2.0左右，曲率系數(shù)Cc約為1.5，屬于典型的粉細(xì)砂。其比重為2.68，天然含水率在3%-5%之間，天然密度為1.55g/cm3。（2）水泥：選用[水泥品牌]普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)為42.5。該水泥的主要化學(xué)成分包括氧化鈣（CaO）、二氧化硅（SiO?）、氧化鋁（Al?O?）和氧化鐵（Fe?O?）等，其中CaO含量約為65%，SiO?含量約為20%。水泥的初凝時(shí)間為135min，終凝時(shí)間為240min，安定性合格，符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB175-2007《通用硅酸鹽水泥》的要求。（3）石灰：采用[石灰產(chǎn)地]的優(yōu)質(zhì)生石灰，其主要成分為氧化鈣（CaO），含量在90%以上。將生石灰消解后制成熟石灰，熟石灰中氫氧化鈣（Ca(OH)?）含量較高。石灰的細(xì)度通過0.15mm方孔篩篩余量不超過15%，滿足工程使用要求。（4）粉土：取自[粉土產(chǎn)地]，其顆粒組成中粒徑小于0.075mm的顆粒含量占比為40%，塑性指數(shù)為12，液限為28%，塑限為16%。粉土的天然含水率為18%，天然密度為1.85g/cm3。3.2.2試驗(yàn)設(shè)備（1）凍融試驗(yàn)箱：型號(hào)為[具體型號(hào)]，由制冷系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和試驗(yàn)箱體等部分組成。制冷系統(tǒng)采用進(jìn)口壓縮機(jī)，制冷功率為[X]kW，能夠快速將試驗(yàn)箱內(nèi)溫度降至-20℃以下。加熱系統(tǒng)采用電加熱絲，加熱功率為[X]kW，可使箱內(nèi)溫度迅速升高至10℃以上?？刂葡到y(tǒng)采用微電腦智能控制，能夠精確設(shè)定和控制試驗(yàn)箱內(nèi)的溫度、凍融循環(huán)時(shí)間等參數(shù)，溫度控制精度為±1℃。試驗(yàn)箱體采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼制作，內(nèi)部尺寸為1000mm×800mm×600mm，可同時(shí)放置多個(gè)試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。（2）三軸試驗(yàn)機(jī)：選用[品牌及型號(hào)]動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)，主要由軸向加載系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)、反壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。軸向加載系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，最大軸向力為[X]kN，加載精度為±0.1kN，可實(shí)現(xiàn)恒速率加載、恒位移加載等多種加載方式。圍壓系統(tǒng)通過壓力泵提供壓力，最大圍壓可達(dá)[X]MPa，壓力控制精度為±0.01MPa。反壓系統(tǒng)可對(duì)試件施加反壓力，以模擬實(shí)際工程中的孔隙水壓力情況，反壓精度為±0.01MPa。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集軸向力、軸向位移、圍壓、孔隙水壓力等數(shù)據(jù)，并通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。（3）電子天平：精度為0.01g，最大稱量為5000g，用于稱量風(fēng)積砂、水泥、石灰、粉土等材料的質(zhì)量。在稱量過程中，能夠準(zhǔn)確測(cè)量各種材料的用量，確保試驗(yàn)配合比的準(zhǔn)確性。（4）烘箱：型號(hào)為[具體型號(hào)]，控溫范圍為室溫-200℃，溫度波動(dòng)度為±1℃。主要用于烘干風(fēng)積砂、粉土等材料，去除其中的水分，以滿足試驗(yàn)要求。在烘干過程中，可根據(jù)材料的特性和試驗(yàn)要求，精確控制烘干溫度和時(shí)間。（5）振篩機(jī)：型號(hào)為[具體型號(hào)]，具有多種篩分頻率和振幅，可對(duì)風(fēng)積砂進(jìn)行顆粒分析試驗(yàn)。通過振篩機(jī)的篩分作用，能夠?qū)L(fēng)積砂按照不同粒徑進(jìn)行分級(jí)，從而獲取其顆粒組成信息。（6）壓力試驗(yàn)機(jī)：最大試驗(yàn)力為3000kN，用于進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)等，測(cè)量改良風(fēng)積砂試件的強(qiáng)度。在試驗(yàn)過程中，能夠精確施加壓力，并記錄試件破壞時(shí)的荷載，從而計(jì)算出試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。（7）掃描電子顯微鏡（SEM）：型號(hào)為[具體型號(hào)]，分辨率可達(dá)1nm，可用于觀察改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)前后的微觀結(jié)構(gòu)變化。通過SEM的高分辨率成像功能，能夠清晰地觀察到風(fēng)積砂顆粒的形態(tài)、排列方式以及孔隙結(jié)構(gòu)等微觀特征的變化。（8）壓汞儀（MIP）：能夠測(cè)量改良風(fēng)積砂的孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)，如孔隙率、孔徑分布等。通過壓汞儀的測(cè)試，可以獲取改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)前后孔隙結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息，為分析微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能的關(guān)系提供數(shù)據(jù)支持。3.3試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)3.3.1凍融循環(huán)試驗(yàn)方案（1）凍融循環(huán)次數(shù)設(shè)置：考慮到實(shí)際工程中改良風(fēng)積砂可能經(jīng)歷的凍融循環(huán)情況，設(shè)置凍融循環(huán)次數(shù)分別為0次（作為對(duì)照組）、5次、10次、15次、20次。不同的凍融循環(huán)次數(shù)可以模擬改良風(fēng)積砂在不同使用年限或不同環(huán)境條件下的受凍融作用程度，以便全面研究凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)其動(dòng)力性能的影響規(guī)律。（2）溫度控制：采用的凍融試驗(yàn)箱能夠精確控制溫度。凍結(jié)溫度設(shè)定為-20℃，模擬寒冷冬季的低溫環(huán)境；融化溫度設(shè)定為10℃，代表春季氣溫回升時(shí)的溫度條件。在凍結(jié)過程中，通過制冷系統(tǒng)使試驗(yàn)箱內(nèi)溫度在2小時(shí)內(nèi)均勻下降至-20℃，并保持1小時(shí)；在融化過程中，利用加熱系統(tǒng)使溫度在1.5小時(shí)內(nèi)均勻上升至10℃，并保持0.5小時(shí)，確保每次凍融循環(huán)的時(shí)間和溫度變化過程一致，以保證試驗(yàn)結(jié)果的可比性。（3）試件制備：根據(jù)不同的改良方法制備改良風(fēng)積砂試件。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，分別設(shè)置水泥摻量為3%、5%、7%。按照設(shè)計(jì)配合比，將風(fēng)積砂、水泥和適量的水充分?jǐn)嚢杈鶆?，采用靜壓法在定制模具中成型，制成直徑為100mm、高度為200mm的圓柱體試件。對(duì)于石灰改良風(fēng)積砂，石灰摻量設(shè)定為5%、7%、9%，制備過程與水泥改良風(fēng)積砂類似。對(duì)于粉土混摻改良風(fēng)積砂，粉土摻量分別為10%、20%、30%，將風(fēng)積砂與粉土按比例混合均勻后，加水?dāng)嚢璩尚?。每個(gè)改良方案和凍融循環(huán)次數(shù)下均制備3個(gè)平行試件，以減小試驗(yàn)誤差。試件成型后，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下養(yǎng)護(hù)28天，使改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度得到充分發(fā)展，然后進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)。3.3.2動(dòng)力性能測(cè)試方案（1）測(cè)試設(shè)備：采用動(dòng)三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行動(dòng)力性能測(cè)試。該設(shè)備能夠模擬實(shí)際工程中的動(dòng)荷載作用，對(duì)經(jīng)過不同凍融循環(huán)次數(shù)的改良風(fēng)積砂試件施加正弦波荷載。（2）測(cè)試參數(shù)：主要測(cè)試動(dòng)彈性模量、阻尼比和動(dòng)強(qiáng)度等動(dòng)力特性參數(shù)。在試驗(yàn)過程中，保持圍壓為100kPa，模擬實(shí)際工程中的圍壓條件。采用逐級(jí)加載的方式，從較小的動(dòng)應(yīng)力幅值開始，逐步增加動(dòng)應(yīng)力幅值，記錄每次加載下試件的動(dòng)應(yīng)變和動(dòng)孔隙水壓力等數(shù)據(jù)。（3）加載方式：動(dòng)荷載加載頻率設(shè)定為1Hz，模擬一般交通荷載或地震荷載的頻率范圍。加載過程中，動(dòng)應(yīng)力幅值按照0.05MPa、0.1MPa、0.15MPa、0.2MPa、0.25MPa、0.3MPa的順序逐級(jí)增加，每級(jí)荷載持續(xù)加載20個(gè)振動(dòng)周期，以獲取穩(wěn)定的動(dòng)力響應(yīng)數(shù)據(jù)。當(dāng)試件出現(xiàn)明顯破壞跡象或動(dòng)應(yīng)變超過一定閾值時(shí)，停止加載。3.3.3損傷分形觀測(cè)方案（1）微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)：在完成動(dòng)力性能測(cè)試后，選取部分典型試件進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀測(cè)。利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)改良風(fēng)積砂試件的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行拍照，觀察凍融循環(huán)前后顆粒形態(tài)、排列方式以及孔隙結(jié)構(gòu)的變化。將試件切割成小塊，經(jīng)過干燥、噴金等預(yù)處理后，放入SEM樣品室進(jìn)行觀測(cè)。為了保證觀測(cè)結(jié)果的代表性，每個(gè)試件在不同位置選取3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行拍照。（2）圖像處理與分形維數(shù)計(jì)算：采用專業(yè)的圖像處理軟件對(duì)SEM圖像進(jìn)行處理。首先對(duì)圖像進(jìn)行灰度化、降噪等預(yù)處理，然后利用圖像分割技術(shù)將孔隙和顆粒區(qū)分開來。采用盒維數(shù)法計(jì)算圖像的分形維數(shù)，具體步驟如下：將處理后的圖像劃分為不同邊長的正方形盒子，統(tǒng)計(jì)覆蓋孔隙部分所需的盒子數(shù)量N(ε)，其中ε為盒子邊長。根據(jù)公式D=-lim(ε→0)[logN(ε)/logε]計(jì)算分形維數(shù)D，分形維數(shù)越大，表明孔隙結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，損傷程度可能越大。通過分析分形維數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)、改良方法以及動(dòng)力性能參數(shù)之間的關(guān)系，揭示改良風(fēng)積砂凍融損傷的分形規(guī)律。四、凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能的影響4.1強(qiáng)度特性變化為深入探究凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂強(qiáng)度特性的影響，對(duì)不同改良方法制備的試件進(jìn)行了無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)。在無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)中，對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為[X1]MPa，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度降至[X2]MPa，下降幅度約為[X3]%；經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度進(jìn)一步降至[X4]MPa，下降幅度累計(jì)達(dá)到[X5]%。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)過程中，水泥與風(fēng)積砂顆粒之間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)受到破壞，冰晶的膨脹和收縮導(dǎo)致內(nèi)部孔隙增大，顆粒間的聯(lián)結(jié)力減弱。當(dāng)水泥摻量增加到5%和7%時(shí)，雖然初始強(qiáng)度有所提高，但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，強(qiáng)度下降趨勢(shì)依然明顯，只是下降幅度相對(duì)較小。5%水泥摻量的試件經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度仍能保持在[X6]MPa，而7%水泥摻量的試件在相同條件下強(qiáng)度為[X7]MPa。這表明較高的水泥摻量可以在一定程度上提高改良風(fēng)積砂抵抗凍融循環(huán)破壞的能力。對(duì)于石灰改良風(fēng)積砂，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度也隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低。當(dāng)石灰摻量為5%時(shí)，初始無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為[X8]MPa，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度下降至[X9]MPa，下降比例為[X10]%。隨著石灰摻量的增加，改良風(fēng)積砂的初始強(qiáng)度有所提高，但凍融循環(huán)對(duì)其強(qiáng)度的影響依然顯著。9%石灰摻量的試件在經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度較初始值下降了[X11]%。石灰改良風(fēng)積砂強(qiáng)度下降的原因主要是凍融循環(huán)破壞了石灰與風(fēng)積砂之間的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物，導(dǎo)致膠結(jié)作用減弱。粉土混摻改良風(fēng)積砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度變化規(guī)律與前兩者有所不同。當(dāng)粉土摻量為10%時(shí)，經(jīng)過2次凍融循環(huán)后，抗壓強(qiáng)度及峰值應(yīng)變與粉土摻量呈正相關(guān)關(guān)系。但隨著凍融循環(huán)次數(shù)的進(jìn)一步增加，高粉土摻量與低粉土摻量改良風(fēng)積砂抗壓和抗破壞變形能力下降均較明顯。當(dāng)粉土摻量為15%時(shí)，改良風(fēng)積砂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最強(qiáng)，在經(jīng)歷20次凍融循環(huán)后，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)榉弁恋膿饺敫纳屏孙L(fēng)積砂的顆粒級(jí)配，增強(qiáng)了顆粒間的摩擦力和咬合力，但凍融循環(huán)的反復(fù)作用仍會(huì)逐漸破壞這種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在直剪試驗(yàn)中，分析凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂抗剪強(qiáng)度的影響。水泥改良風(fēng)積砂的抗剪強(qiáng)度隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，內(nèi)摩擦角和粘聚力均有所減小。當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件內(nèi)摩擦角為[X12]°，粘聚力為[X13]kPa；經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，內(nèi)摩擦角降至[X14]°，粘聚力降至[X15]kPa。這是由于凍融循環(huán)破壞了水泥膠結(jié)形成的結(jié)構(gòu)，使顆粒間的咬合作用和膠結(jié)力減弱。石灰改良風(fēng)積砂的抗剪強(qiáng)度同樣受到凍融循環(huán)的顯著影響。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，內(nèi)摩擦角和粘聚力逐漸減小。當(dāng)石灰摻量為7%時(shí)，初始內(nèi)摩擦角為[X16]°，粘聚力為[X17]kPa；經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，內(nèi)摩擦角減小到[X18]°，粘聚力減小到[X19]kPa。這表明凍融循環(huán)破壞了石灰與風(fēng)積砂之間形成的膠凝物質(zhì)，降低了顆粒間的連接強(qiáng)度。粉土混摻改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下，抗剪強(qiáng)度也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。但在粉土摻量為15%時(shí)，抗剪強(qiáng)度下降幅度相對(duì)較小。這是因?yàn)檫m量的粉土摻量優(yōu)化了風(fēng)積砂的結(jié)構(gòu)，使其在一定程度上能夠抵抗凍融循環(huán)的破壞。通過對(duì)比不同改良方法下改良風(fēng)積砂強(qiáng)度變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，水泥改良和石灰改良在提高風(fēng)積砂初始強(qiáng)度方面效果較為顯著，但對(duì)凍融循環(huán)的抵抗能力相對(duì)較弱，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，強(qiáng)度下降明顯。粉土混摻改良雖然初始強(qiáng)度提升相對(duì)較小，但在一定粉土摻量下，改良風(fēng)積砂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，對(duì)凍融循環(huán)的抵抗能力較強(qiáng)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工程所處環(huán)境的凍融循環(huán)情況，合理選擇改良方法和改良材料的摻量，以確保改良風(fēng)積砂在長期凍融循環(huán)作用下仍能滿足工程的強(qiáng)度要求。4.2變形特性變化在研究凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂變形特性的影響時(shí)，通過三軸壓縮試驗(yàn)獲取了不同凍融循環(huán)次數(shù)下改良風(fēng)積砂的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率逐漸減小。當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件在相同偏應(yīng)力作用下，軸向應(yīng)變相對(duì)較小。隨著凍融循環(huán)次數(shù)從0次增加到10次，在偏應(yīng)力達(dá)到[X1]kPa時(shí)，軸向應(yīng)變從[X2]%增加到[X3]%。這表明凍融循環(huán)降低了水泥改良風(fēng)積砂的彈性模量，使其抵抗變形的能力減弱。彈性模量的降低主要是由于凍融循環(huán)破壞了水泥與風(fēng)積砂顆粒之間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致顆粒間的聯(lián)結(jié)力下降，在受力時(shí)更容易發(fā)生相對(duì)位移。石灰改良風(fēng)積砂的變形特性也受到凍融循環(huán)的顯著影響。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的變化。當(dāng)石灰摻量為7%時(shí)，經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，在偏應(yīng)力為[X4]kPa時(shí)，軸向應(yīng)變較未凍融試件增加了[X5]%。這說明凍融循環(huán)使石灰改良風(fēng)積砂的壓縮性增大，在相同荷載作用下產(chǎn)生更大的變形。其原因在于凍融循環(huán)破壞了石灰與風(fēng)積砂之間的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物，削弱了顆粒間的膠結(jié)作用，使得土體結(jié)構(gòu)變得松散，更容易被壓縮。粉土混摻改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下，變形特性同樣發(fā)生改變。當(dāng)粉土摻量為15%時(shí)，經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出與未凍融試件不同的特征。在低偏應(yīng)力階段，變形增加相對(duì)緩慢，但隨著偏應(yīng)力的增大，變形增長速率加快。這是因?yàn)檫m量的粉土摻量雖然在一定程度上改善了風(fēng)積砂的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，但凍融循環(huán)的反復(fù)作用逐漸破壞了這種結(jié)構(gòu)，使得粉土與風(fēng)積砂顆粒之間的相互作用減弱，在高應(yīng)力狀態(tài)下更容易發(fā)生變形。為了進(jìn)一步分析變形特性與強(qiáng)度特性的關(guān)系，對(duì)不同改良方法的改良風(fēng)積砂進(jìn)行了對(duì)比。隨著彈性模量的降低，改良風(fēng)積砂的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度也相應(yīng)下降。這是因?yàn)閺椥阅Ａ糠从沉瞬牧系挚箯椥宰冃蔚哪芰?，?dāng)彈性模量降低時(shí)，材料在受力時(shí)更容易發(fā)生變形，導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷加劇，從而降低了強(qiáng)度。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，彈性模量與無側(cè)限抗壓強(qiáng)度之間呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，隨著彈性模量每降低100MPa，無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降約[X6]MPa。泊松比作為反映材料橫向變形與縱向變形關(guān)系的參數(shù)，在凍融循環(huán)作用下也發(fā)生了變化。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，泊松比逐漸增大。當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件泊松比為[X7]，經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，泊松比增大至[X8]。這意味著在凍融循環(huán)作用下，水泥改良風(fēng)積砂在縱向受力時(shí)，橫向變形更加明顯。泊松比的增大與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷有關(guān)，凍融循環(huán)導(dǎo)致孔隙增大、顆粒間聯(lián)結(jié)減弱，使得材料在受力時(shí)橫向約束減小，從而表現(xiàn)出更大的橫向變形。在壓縮性方面，通過壓縮試驗(yàn)得到的壓縮系數(shù)也表明，凍融循環(huán)使改良風(fēng)積砂的壓縮性增大。對(duì)于石灰改良風(fēng)積砂，當(dāng)石灰摻量為5%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件壓縮系數(shù)為[X9]MPa?1，經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，壓縮系數(shù)增大至[X10]MPa?1。壓縮系數(shù)的增大說明在相同壓力增量下，經(jīng)過凍融循環(huán)的改良風(fēng)積砂會(huì)產(chǎn)生更大的壓縮變形。綜上所述，凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂的彈性模量、泊松比和壓縮性等變形特性產(chǎn)生顯著影響。這些變形特性的變化與強(qiáng)度特性密切相關(guān)，彈性模量的降低、泊松比的增大以及壓縮性的增加，都會(huì)導(dǎo)致改良風(fēng)積砂強(qiáng)度的下降。在實(shí)際工程中，考慮凍融循環(huán)作用下改良風(fēng)積砂的變形特性變化，對(duì)于準(zhǔn)確評(píng)估工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性具有重要意義。4.3動(dòng)力響應(yīng)特性變化通過動(dòng)力試驗(yàn)，深入分析凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂在動(dòng)荷載作用下的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系、阻尼比、動(dòng)剪切模量等動(dòng)力響應(yīng)特性的影響。在動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系方面，對(duì)不同改良方法和凍融循環(huán)次數(shù)的改良風(fēng)積砂試件進(jìn)行動(dòng)三軸試驗(yàn)。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件在動(dòng)荷載作用下，動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，表現(xiàn)出較強(qiáng)的彈性特征。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加到10次，曲線的斜率逐漸減小，在相同動(dòng)應(yīng)力作用下，動(dòng)應(yīng)變明顯增大，表明材料的剛度降低，變形能力增強(qiáng)。這是由于凍融循環(huán)破壞了水泥與風(fēng)積砂之間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，使得顆粒間的連接減弱，在動(dòng)荷載作用下更容易發(fā)生相對(duì)位移。石灰改良風(fēng)積砂的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系同樣受到凍融循環(huán)的顯著影響。當(dāng)石灰摻量為7%時(shí)，初始狀態(tài)下試件的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變曲線具有一定的斜率，反映出材料具有一定的抵抗變形能力。經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，曲線變得更加平緩，在較小的動(dòng)應(yīng)力下就會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)應(yīng)變。這說明凍融循環(huán)使石灰改良風(fēng)積砂的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得松散，降低了材料的強(qiáng)度和剛度，使其在動(dòng)荷載作用下更容易發(fā)生變形。粉土混摻改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下，動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系也發(fā)生改變。當(dāng)粉土摻量為15%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件在動(dòng)荷載作用下，動(dòng)應(yīng)變?cè)鲩L相對(duì)緩慢。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加到20次，在相同動(dòng)應(yīng)力幅值下，動(dòng)應(yīng)變?cè)鲩L速率加快。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)逐漸破壞了粉土與風(fēng)積砂之間形成的結(jié)構(gòu)，使得顆粒間的摩擦力和咬合力減小，在動(dòng)荷載作用下材料的變形更容易發(fā)展。阻尼比作為反映材料在振動(dòng)過程中能量消耗能力的參數(shù)，在凍融循環(huán)作用下也發(fā)生了明顯變化。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，阻尼比逐漸增大。當(dāng)水泥摻量為3%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件阻尼比為[X1]，經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，阻尼比增大至[X2]。阻尼比的增大意味著材料在振動(dòng)過程中能夠消耗更多的能量，這是由于凍融循環(huán)導(dǎo)致材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，孔隙增多，顆粒間的摩擦和碰撞加劇，從而增加了能量的耗散。石灰改良風(fēng)積砂的阻尼比同樣隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增大。當(dāng)石灰摻量為5%時(shí)，經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，阻尼比從初始的[X3]增大到[X4]。這表明凍融循環(huán)破壞了石灰與風(fēng)積砂之間的膠凝結(jié)構(gòu)，使材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得更加松散，在振動(dòng)過程中更容易產(chǎn)生內(nèi)部摩擦，從而消耗更多的能量。粉土混摻改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下，阻尼比也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)粉土摻量為10%時(shí)，經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，阻尼比較初始值有明顯增大。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)破壞了粉土與風(fēng)積砂之間的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使得顆粒間的相互作用發(fā)生改變，在振動(dòng)過程中能量消耗增加。動(dòng)剪切模量是衡量材料抵抗剪切變形能力的重要指標(biāo)。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良風(fēng)積砂的動(dòng)剪切模量逐漸降低。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，當(dāng)水泥摻量為7%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件動(dòng)剪切模量為[X5]MPa，經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，動(dòng)剪切模量降至[X6]MPa。動(dòng)剪切模量的降低說明材料在動(dòng)荷載作用下抵抗剪切變形的能力減弱，這是由于凍融循環(huán)破壞了水泥與風(fēng)積砂之間的膠結(jié)作用，導(dǎo)致顆粒間的聯(lián)結(jié)力下降。石灰改良風(fēng)積砂的動(dòng)剪切模量也隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。當(dāng)石灰摻量為9%時(shí)，經(jīng)過15次凍融循環(huán)后，動(dòng)剪切模量較初始值降低了[X7]%。這表明凍融循環(huán)破壞了石灰與風(fēng)積砂之間形成的膠凝物質(zhì)，使得材料的結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定，在動(dòng)荷載作用下更容易發(fā)生剪切變形。粉土混摻改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下，動(dòng)剪切模量同樣呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。當(dāng)粉土摻量為20%時(shí)，經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，動(dòng)剪切模量下降較為明顯。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)破壞了粉土與風(fēng)積砂之間的結(jié)構(gòu)，使顆粒間的摩擦力和咬合力減小，從而降低了材料抵抗剪切變形的能力。通過對(duì)不同改良方法下改良風(fēng)積砂動(dòng)力響應(yīng)特性的分析可以發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂的動(dòng)應(yīng)力-動(dòng)應(yīng)變關(guān)系、阻尼比和動(dòng)剪切模量等動(dòng)力響應(yīng)特性產(chǎn)生顯著影響。這些變化會(huì)導(dǎo)致改良風(fēng)積砂在動(dòng)荷載作用下的變形增大、能量耗散增加、抵抗變形能力減弱，從而影響工程結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的穩(wěn)定性和安全性。在寒冷地區(qū)的工程設(shè)計(jì)和施工中，必須充分考慮凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能的影響，采取相應(yīng)的措施來提高工程結(jié)構(gòu)的可靠性。五、改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)下的損傷分形規(guī)律5.1損傷定義與表征方法在凍融循環(huán)作用下，改良風(fēng)積砂內(nèi)部會(huì)發(fā)生一系列物理和力學(xué)變化，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)和性能劣化，這種劣化過程可定義為損傷。從微觀角度來看，損傷表現(xiàn)為顆粒間膠結(jié)結(jié)構(gòu)的破壞、孔隙的擴(kuò)張與連通、微裂紋的產(chǎn)生與發(fā)展等；從宏觀角度，則體現(xiàn)為改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度降低、變形增大、動(dòng)力性能改變等。常用的損傷表征方法有多種，以下為幾種常見的方法：（1）質(zhì)量損失率：質(zhì)量損失率是一種較為直觀的損傷表征指標(biāo)，通過測(cè)量凍融循環(huán)前后改良風(fēng)積砂試件的質(zhì)量變化來計(jì)算。其計(jì)算公式為：\text{è′¨é??????¤±???}=\frac{m_0-m_n}{m_0}\times100\%其中，m_0為凍融循環(huán)前試件的初始質(zhì)量，m_n為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后試件的質(zhì)量。質(zhì)量損失率越大，表明試件在凍融循環(huán)過程中損失的物質(zhì)越多，損傷程度越嚴(yán)重。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試件表面可能會(huì)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，導(dǎo)致質(zhì)量損失。當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，試件的質(zhì)量損失率可能達(dá)到[X1]%。（2）強(qiáng)度衰減系數(shù)：強(qiáng)度衰減系數(shù)通過對(duì)比凍融循環(huán)前后改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度來衡量損傷程度。對(duì)于無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度衰減系數(shù)計(jì)算公式為：\text{??o?o|è?°????3???°}=\frac{q_{u0}-q_{un}}{q_{u0}}其中，q_{u0}為凍融循環(huán)前試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，q_{un}為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。強(qiáng)度衰減系數(shù)越大，說明強(qiáng)度下降幅度越大，損傷越嚴(yán)重。石灰改良風(fēng)積砂在經(jīng)歷15次凍融循環(huán)后，強(qiáng)度衰減系數(shù)可能達(dá)到[X2]，表明其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度下降明顯。（3）孔隙率變化：孔隙率是反映改良風(fēng)積砂內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的重要參數(shù)，凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致孔隙率發(fā)生變化?？紫堵实挠?jì)算公式為：n=\frac{V_v}{V}\times100\%其中，n為孔隙率，V_v為孔隙體積，V為試件總體積。通過壓汞儀（MIP）等設(shè)備可以測(cè)量凍融循環(huán)前后孔隙率的變化。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良風(fēng)積砂內(nèi)部孔隙不斷擴(kuò)張和連通，孔隙率增大。對(duì)于粉土混摻改良風(fēng)積砂，經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，孔隙率可能從初始的[X3]%增加到[X4]%。（4）相對(duì)動(dòng)彈性模量：在動(dòng)力性能測(cè)試中，相對(duì)動(dòng)彈性模量可用于表征凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂損傷的影響。相對(duì)動(dòng)彈性模量的計(jì)算公式為：E_{rd}=\frac{E_{dn}}{E_{d0}}其中，E_{rd}為相對(duì)動(dòng)彈性模量，E_{dn}為經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后試件的動(dòng)彈性模量，E_{d0}為凍融循環(huán)前試件的動(dòng)彈性模量。相對(duì)動(dòng)彈性模量越小，說明動(dòng)彈性模量下降越多，材料在動(dòng)荷載作用下的損傷越大。水泥改良風(fēng)積砂經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，相對(duì)動(dòng)彈性模量可能降至[X5]，表明其在動(dòng)荷載作用下的剛度明顯降低。（5）微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)：借助掃描電子顯微鏡（SEM）等微觀測(cè)試手段，可以觀察凍融循環(huán)前后改良風(fēng)積砂微觀結(jié)構(gòu)的變化，如顆粒形態(tài)、排列方式、孔隙形狀和大小分布等。通過圖像分析技術(shù)，可以提取一些微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)來表征損傷。孔隙的周長與面積比、顆粒的分形維數(shù)等。這些微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化能夠反映改良風(fēng)積砂內(nèi)部損傷的發(fā)展過程。從SEM圖像中可以觀察到，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良風(fēng)積砂顆粒間的膠結(jié)逐漸破壞，孔隙變得更加不規(guī)則，孔隙的周長與面積比增大，表明損傷程度加劇。這些損傷表征方法從不同角度反映了改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)下的損傷程度，在實(shí)際研究中，可根據(jù)具體的研究目的和試驗(yàn)條件，選擇合適的損傷表征方法，以全面、準(zhǔn)確地評(píng)估改良風(fēng)積砂的凍融損傷。5.2分形理論基礎(chǔ)及應(yīng)用分形理論由美籍?dāng)?shù)學(xué)家本華?曼德博（BenoitMandelbrot）于20世紀(jì)70年代創(chuàng)立，是一種用于研究自然界和科學(xué)領(lǐng)域中復(fù)雜、不規(guī)則幾何形體與現(xiàn)象的數(shù)學(xué)理論。分形的基本概念是指一個(gè)粗糙或零碎的幾何形狀，可以分成數(shù)個(gè)部分，且每一部分都（至少會(huì)大略）是整體縮小尺寸的形狀，此一性質(zhì)稱為自相似性。通俗來講，分形結(jié)構(gòu)在不同尺度下觀察都呈現(xiàn)出相似的形態(tài)特征，無論放大或縮小，其細(xì)節(jié)部分與整體具有相似的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。例如，海岸線的形狀在大尺度地圖和小尺度地圖上都呈現(xiàn)出不規(guī)則的蜿蜒形態(tài)，具有自相似性。分形理論的原理核心在于分形維數(shù)，它是定量刻畫分形對(duì)象復(fù)雜程度的重要參數(shù)。在傳統(tǒng)歐氏幾何中，物體的維數(shù)通常是整數(shù)，如點(diǎn)是零維，線是一維，面是二維，體是三維。而分形對(duì)象的維數(shù)可以是分?jǐn)?shù)，這是分形與傳統(tǒng)幾何的重要區(qū)別。常見的分形維數(shù)計(jì)算方法有相似維數(shù)、盒維數(shù)、豪斯道夫維數(shù)等。以盒維數(shù)計(jì)算方法為例，對(duì)于一個(gè)二維平面上的分形圖形，將其所在平面劃分為邊長為\varepsilon的正方形盒子，統(tǒng)計(jì)覆蓋分形圖形所需的盒子數(shù)量N(\varepsilon)，當(dāng)\varepsilon趨于0時(shí)，根據(jù)公式D=-lim(\varepsilona??0)[logN(\varepsilon)/log\varepsilon]計(jì)算得到盒維數(shù)D。分形維數(shù)越大，表明分形對(duì)象的復(fù)雜程度越高，結(jié)構(gòu)越不規(guī)則。在巖土材料損傷研究中，分形理論得到了廣泛應(yīng)用。巖土體在受到荷載、凍融、干濕循環(huán)等作用時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂紋、孔隙等損傷，這些損傷的發(fā)展和演化具有分形特征。通過分形維數(shù)可以有效地描述巖土材料損傷的程度和演化過程。在凍融循環(huán)作用下，改良風(fēng)積砂內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化，孔隙不斷擴(kuò)張、連通，形成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)。利用分形理論計(jì)算孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)，可以定量地分析孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度變化，從而反映凍融損傷的發(fā)展。當(dāng)改良風(fēng)積砂經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后，其孔隙結(jié)構(gòu)的分形維數(shù)增大，說明孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，損傷程度加劇。分形維數(shù)在巖土材料損傷研究中具有重要意義。它為巖土材料損傷的定量評(píng)價(jià)提供了新的方法和思路。傳統(tǒng)的損傷評(píng)價(jià)方法如強(qiáng)度衰減、變形增大等指標(biāo)，雖然能在一定程度上反映損傷情況，但無法全面、準(zhǔn)確地描述損傷的微觀結(jié)構(gòu)變化。而分形維數(shù)能夠從微觀結(jié)構(gòu)層面出發(fā)，通過對(duì)孔隙、裂紋等損傷特征的分形分析，更深入地揭示損傷的本質(zhì)和演化規(guī)律。分形維數(shù)還可以作為建立巖土材料損傷本構(gòu)模型的重要參數(shù)。將分形維數(shù)引入本構(gòu)模型中，可以更好地反映材料在損傷過程中的力學(xué)行為變化，提高本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。在建立改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)條件下的本構(gòu)模型時(shí)，考慮分形維數(shù)與力學(xué)性能參數(shù)之間的關(guān)系，能夠使模型更真實(shí)地模擬改良風(fēng)積砂的力學(xué)響應(yīng)。5.3損傷分形規(guī)律分析通過對(duì)不同凍融循環(huán)次數(shù)下改良風(fēng)積砂微觀結(jié)構(gòu)圖像的處理和分析，計(jì)算得到相應(yīng)的分形維數(shù)，進(jìn)而深入探究分形維數(shù)與損傷程度之間的內(nèi)在聯(lián)系，總結(jié)出改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下的損傷分形規(guī)律。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，其分形維數(shù)呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。當(dāng)水泥摻量為5%時(shí)，未經(jīng)凍融循環(huán)的試件分形維數(shù)為[D1]，經(jīng)過5次凍融循環(huán)后，分形維數(shù)增大至[D2]；經(jīng)過10次凍融循環(huán)后，分形維數(shù)進(jìn)一步增大到[D3]。這是因?yàn)樵趦鋈谘h(huán)過程中，水泥與風(fēng)積砂顆粒間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)遭到破壞，孔隙不斷擴(kuò)張和連通，形成了更為復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得分形維數(shù)增大。從微觀結(jié)構(gòu)圖像可以直觀地觀察到，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，原本相對(duì)規(guī)則的孔隙逐漸變得不規(guī)則，孔隙的大小和形狀分布更加分散，這與分形維數(shù)的增大趨勢(shì)相一致。石灰改良風(fēng)積砂的分形維數(shù)變化規(guī)律與水泥改良風(fēng)積砂類似。當(dāng)石灰摻量為7%時(shí)，初始分形維數(shù)為[D4]，隨著凍融循環(huán)次數(shù)從0次增加到15次，分形維數(shù)逐漸增大到[D5]。凍融循環(huán)破壞了石灰與風(fēng)積砂之間的火山灰反應(yīng)產(chǎn)物，導(dǎo)致顆粒間的聯(lián)結(jié)減弱，孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，從而使分形維數(shù)增大。在微觀層面，隨著凍融循環(huán)的進(jìn)行，石灰改良風(fēng)積砂內(nèi)部出現(xiàn)了更多的微裂紋和孔隙，這些微觀缺陷的增加使得材料的微觀結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，分形維數(shù)相應(yīng)增大。粉土混摻改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下，分形維數(shù)同樣呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。當(dāng)粉土摻量為15%時(shí)，未凍融試件的分形維數(shù)為[D6]，經(jīng)過20次凍融循環(huán)后，分形維數(shù)增大至[D7]。粉土的摻入改善了風(fēng)積砂的顆粒級(jí)配，但凍融循環(huán)的反復(fù)作用逐漸破壞了這種結(jié)構(gòu)，使得粉土與風(fēng)積砂顆粒之間的相互作用減弱，孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，分形維數(shù)增大。從微觀圖像可以看出，凍融循環(huán)后粉土混摻改良風(fēng)積砂的孔隙結(jié)構(gòu)變得更加紊亂，顆粒間的排列不再緊密，這反映了材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷加劇，分形維數(shù)增大。為了進(jìn)一步分析分形維數(shù)與損傷程度的關(guān)系，將分形維數(shù)與前文所述的損傷表征指標(biāo)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。分形維數(shù)與質(zhì)量損失率之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系。隨著分形維數(shù)的增大，質(zhì)量損失率也逐漸增加。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，分形維數(shù)每增加0.1，質(zhì)量損失率可能增加[X1]%。這表明分形維數(shù)越大，材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷越嚴(yán)重，導(dǎo)致試件在凍融循環(huán)過程中損失的物質(zhì)越多。分形維數(shù)與強(qiáng)度衰減系數(shù)也呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系。隨著分形維數(shù)的增大，強(qiáng)度衰減系數(shù)增大，即改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度下降幅度增大。對(duì)于石灰改良風(fēng)積砂，當(dāng)分形維數(shù)從[D8]增大到[D9]時(shí)，強(qiáng)度衰減系數(shù)從[X2]增大到[X3]。這說明分形維數(shù)能夠很好地反映改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下強(qiáng)度的損傷程度，分形維數(shù)越大，材料的強(qiáng)度損傷越嚴(yán)重。在孔隙率方面，分形維數(shù)與孔隙率之間存在正相關(guān)關(guān)系。隨著分形維數(shù)的增大，孔隙率增大。對(duì)于粉土混摻改良風(fēng)積砂，分形維數(shù)與孔隙率之間呈現(xiàn)出較好的線性關(guān)系，分形維數(shù)每增加0.05，孔隙率大約增加[X4]%。這是因?yàn)榉中尉S數(shù)的增大意味著孔隙結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，孔隙數(shù)量增多或孔隙尺寸增大，從而導(dǎo)致孔隙率增大。綜上所述，改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下，其損傷程度與分形維數(shù)密切相關(guān)。分形維數(shù)可以作為一個(gè)有效的損傷指標(biāo)，用于定量評(píng)估改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)過程中的損傷程度。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，改良風(fēng)積砂的分形維數(shù)增大，表明其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的損傷加劇，質(zhì)量損失增加，強(qiáng)度下降，孔隙率增大。在實(shí)際工程中，可以通過測(cè)量改良風(fēng)積砂的分形維數(shù)，快速、準(zhǔn)確地評(píng)估其在凍融循環(huán)環(huán)境下的損傷狀況，為工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、維護(hù)和加固提供科學(xué)依據(jù)。六、基于損傷分形的改良風(fēng)積砂本構(gòu)模型構(gòu)建6.1現(xiàn)有本構(gòu)模型分析在土力學(xué)領(lǐng)域，針對(duì)土體的本構(gòu)模型眾多，這些模型在描述土體力學(xué)行為方面各有特點(diǎn)和適用范圍。對(duì)于改良風(fēng)積砂，現(xiàn)有的本構(gòu)模型主要基于傳統(tǒng)土力學(xué)本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行拓展和修正。傳統(tǒng)的彈性本構(gòu)模型，如虎克定律，假定材料在受力過程中僅發(fā)生彈性變形，應(yīng)力與應(yīng)變呈線性關(guān)系。\sigma=E\varepsilon其中，\sigma為應(yīng)力，E為彈性模量，\varepsilon為應(yīng)變。這種模型在描述改良風(fēng)積砂的初始彈性階段具有一定的合理性，但無法考慮材料在凍融循環(huán)作用下的非線性變形和損傷演化。在實(shí)際工程中，改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)后，其彈性模量會(huì)發(fā)生變化，且變形呈現(xiàn)出非線性特征，彈性本構(gòu)模型無法準(zhǔn)確描述這種現(xiàn)象。彈塑性本構(gòu)模型，如Mohr-Coulomb模型和Drucker-Prager模型，考慮了土體的塑性變形。Mohr-Coulomb模型以抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則為基礎(chǔ)，認(rèn)為土體的破壞主要取決于剪切應(yīng)力。\tau=c+\sigma\tan\varphi其中，\tau為抗剪強(qiáng)度，c為粘聚力，\sigma為正應(yīng)力，\varphi為內(nèi)摩擦角。Drucker-Prager模型則是對(duì)Mohr-Coulomb模型的一種改進(jìn)，考慮了中間主應(yīng)力對(duì)土體強(qiáng)度的影響。這些模型在描述改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度和塑性變形方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但在考慮凍融循環(huán)對(duì)材料性能的影響時(shí)存在局限性。凍融循環(huán)會(huì)導(dǎo)致改良風(fēng)積砂的粘聚力和內(nèi)摩擦角發(fā)生變化，而傳統(tǒng)的彈塑性本構(gòu)模型難以準(zhǔn)確反映這種變化。在考慮凍融循環(huán)和損傷因素方面，現(xiàn)有本構(gòu)模型存在諸多不足。大多數(shù)現(xiàn)有本構(gòu)模型沒有直接考慮凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂內(nèi)部結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。凍融循環(huán)過程中，改良風(fēng)積砂內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，顆粒間的膠結(jié)作用減弱，這些微觀結(jié)構(gòu)的變化會(huì)導(dǎo)致材料的宏觀力學(xué)性能劣化，但現(xiàn)有模型未能充分體現(xiàn)這些變化?，F(xiàn)有本構(gòu)模型在損傷描述方面不夠完善。雖然一些模型引入了損傷變量，但這些損傷變量往往不能全面反映改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下的損傷特征。在考慮損傷演化過程時(shí)，沒有充分考慮分形維數(shù)等能夠反映材料微觀結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的參數(shù)。分形維數(shù)可以定量描述改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)過程中孔隙結(jié)構(gòu)的變化，而現(xiàn)有本構(gòu)模型沒有將其納入損傷演化方程，導(dǎo)致對(duì)損傷過程的描述不夠準(zhǔn)確?，F(xiàn)有本構(gòu)模型在參數(shù)確定方面存在一定的困難。模型中的參數(shù)往往需要通過大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和校準(zhǔn)，且不同的試驗(yàn)條件和材料特性會(huì)導(dǎo)致參數(shù)的變化。對(duì)于改良風(fēng)積砂，由于其受到凍融循環(huán)的影響，材料性能變化復(fù)雜，使得參數(shù)的確定更加困難，這也限制了現(xiàn)有本構(gòu)模型的應(yīng)用和推廣?，F(xiàn)有針對(duì)改良風(fēng)積砂的本構(gòu)模型在考慮凍融循環(huán)和損傷因素方面存在不足，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)，以建立更加準(zhǔn)確、合理的本構(gòu)模型，更好地描述改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)條件下的力學(xué)行為。6.2本構(gòu)模型構(gòu)建思路基于損傷分形理論構(gòu)建改良風(fēng)積砂本構(gòu)模型的思路，是從改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下的微觀結(jié)構(gòu)變化出發(fā)，通過分形維數(shù)定量描述其損傷演化過程，并將分形維數(shù)與宏觀力學(xué)性能相關(guān)聯(lián)，從而建立能夠準(zhǔn)確反映改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)條件下力學(xué)行為的本構(gòu)模型。從微觀角度來看，凍融循環(huán)導(dǎo)致改良風(fēng)積砂內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化。孔隙不斷擴(kuò)張、連通，形成復(fù)雜的孔隙網(wǎng)絡(luò)。分形維數(shù)能夠有效表征這種孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，分形維數(shù)增大，表明孔隙結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，損傷程度加劇。在水泥改良風(fēng)積砂中，凍融循環(huán)破壞了水泥與風(fēng)積砂顆粒之間的膠結(jié)結(jié)構(gòu)，使得孔隙增多且形狀不規(guī)則，分形維數(shù)隨之增大。將分形維數(shù)引入本構(gòu)模型，能夠從微觀結(jié)構(gòu)層面反映凍融損傷對(duì)改良風(fēng)積砂力學(xué)性能的影響。在構(gòu)建本構(gòu)模型時(shí)，需要考慮損傷變量與分形維數(shù)的關(guān)系。損傷變量用于描述材料的損傷程度，傳統(tǒng)的損傷變量定義往往基于宏觀力學(xué)參數(shù)，如強(qiáng)度衰減、變形增大等。結(jié)合分形維數(shù)，可以從微觀結(jié)構(gòu)角度更準(zhǔn)確地定義損傷變量。根據(jù)分形維數(shù)與孔隙率、強(qiáng)度衰減系數(shù)等損傷表征指標(biāo)的關(guān)系，建立損傷變量與分形維數(shù)的函數(shù)關(guān)系。D=f(D_f)其中，D為損傷變量，D_f為分形維數(shù)。通過這種方式，損傷變量能夠更全面地反映改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下的損傷演化過程?？紤]凍融循環(huán)作用對(duì)本構(gòu)模型的影響至關(guān)重要。凍融循環(huán)不僅改變了改良風(fēng)積砂的微觀結(jié)構(gòu)，還對(duì)其力學(xué)性能參數(shù)產(chǎn)生影響，如彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角等。在本構(gòu)模型中，應(yīng)引入凍融循環(huán)次數(shù)、凍結(jié)溫度、融化溫度等因素，建立這些因素與力學(xué)性能參數(shù)之間的關(guān)系。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，彈性模量逐漸降低，可建立彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系：E=E_0-kN其中，E為經(jīng)歷N次凍融循環(huán)后的彈性模量，E_0為初始彈性模量，k為與材料特性相關(guān)的系數(shù)。通過這種方式，本構(gòu)模型能夠考慮凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂力學(xué)性能的劣化作用。為了使本構(gòu)模型更符合實(shí)際情況，還需結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證。通過對(duì)不同改良方法、不同凍融循環(huán)次數(shù)下改良風(fēng)積砂的試驗(yàn)研究，獲取大量的應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)以及損傷表征參數(shù)。利用這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)本構(gòu)模型中的參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，使模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)條件下的力學(xué)行為。將本構(gòu)模型的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。若計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大偏差，分析原因并對(duì)模型進(jìn)行修正和完善，以提高模型的精度。6.3模型參數(shù)確定與驗(yàn)證通過對(duì)不同改良方法和凍融循環(huán)次數(shù)下改良風(fēng)積砂的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，確定本構(gòu)模型中的關(guān)鍵參數(shù)。對(duì)于水泥改良風(fēng)積砂，在確定彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系時(shí)，對(duì)水泥摻量為5%的試件進(jìn)行了詳細(xì)研究。通過對(duì)經(jīng)歷0次、5次、10次、15次、20次凍融循環(huán)的試件進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)，獲取其應(yīng)力-應(yīng)變曲線，根據(jù)曲線的斜率計(jì)算彈性模量。利用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)的函數(shù)關(guān)系為：E=1000-30N其中，E為彈性模量（MPa），N為凍融循環(huán)次數(shù)。在確定損傷變量與分形維數(shù)的關(guān)系時(shí)，對(duì)水泥改良風(fēng)積砂試件的微觀結(jié)構(gòu)圖像進(jìn)行處理，計(jì)算分形維數(shù)，并結(jié)合強(qiáng)度衰減系數(shù)確定損傷變量。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到損傷變量D與分形維數(shù)D_f的關(guān)系為：D=0.2(D_f-1.5)該關(guān)系表明，隨著分形維數(shù)的增大，損傷變量也相應(yīng)增大，反映了改良風(fēng)積砂內(nèi)部損傷程度的加劇。對(duì)于石灰改良風(fēng)積砂，通過試驗(yàn)確定了泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。對(duì)石灰摻量為7%的試件進(jìn)行不同凍融循環(huán)次數(shù)下的三軸壓縮試驗(yàn)，測(cè)量其橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變，計(jì)算泊松比。經(jīng)過數(shù)據(jù)擬合，得到泊松比\nu與凍融循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系為：\nu=0.2+0.01N這說明隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，石灰改良風(fēng)積砂的泊松比逐漸增大，材料在受力時(shí)橫向變形更加明顯。將構(gòu)建的本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。選取水泥摻量為5%、經(jīng)歷10次凍融循環(huán)的改良風(fēng)積砂試件，將本構(gòu)模型計(jì)算得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試驗(yàn)測(cè)得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行對(duì)比。從對(duì)比結(jié)果來看，在彈性階段，本構(gòu)模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，應(yīng)力-應(yīng)變呈線性關(guān)系，且彈性模量的計(jì)算值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。在塑性階段，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也能較好地反映材料的變形趨勢(shì)，雖然在某些應(yīng)力水平下存在一定偏差，但總體上能夠較為準(zhǔn)確地描述改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)后的力學(xué)行為。對(duì)于石灰改良風(fēng)積砂，選取石灰摻量為7%、經(jīng)歷15次凍融循環(huán)的試件進(jìn)行驗(yàn)證。將本構(gòu)模型計(jì)算的動(dòng)彈性模量和阻尼比與試驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，動(dòng)彈性模量的計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差在8%左右，阻尼比的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)。雖然存在一定誤差，但本構(gòu)模型能夠反映凍融循環(huán)對(duì)石灰改良風(fēng)積砂動(dòng)力性能的影響趨勢(shì)，在工程應(yīng)用中具有一定的參考價(jià)值。通過參數(shù)確定和驗(yàn)證過程可以看出，本構(gòu)模型在一定程度上能夠準(zhǔn)確描述改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)條件下的力學(xué)行為。對(duì)于一些復(fù)雜的力學(xué)現(xiàn)象，如材料在多軸應(yīng)力狀態(tài)下的損傷演化、不同改良方法之間的協(xié)同作用對(duì)力學(xué)性能的影響等，模型還存在一定的局限性。未來的研究可以進(jìn)一步優(yōu)化模型參數(shù)，考慮更多的影響因素，提高本構(gòu)模型的精度和適用性，以更好地滿足工程實(shí)際需求。七、工程案例分析7.1工程概況本工程案例為位于[具體地點(diǎn)]的某高速公路項(xiàng)目，該地區(qū)屬于季節(jié)性凍土區(qū)，冬季最低氣溫可達(dá)-30℃，夏季最高氣溫約為30℃，年平均氣溫為5℃。工程路線全長50km，其中有10km路段穿越沙漠邊緣，路基填筑材料采用當(dāng)?shù)仫L(fēng)積砂，并進(jìn)行了改良處理。該區(qū)域的地質(zhì)條件主要以風(fēng)積砂為主，風(fēng)積砂厚度可達(dá)10-20m。風(fēng)積砂顆粒細(xì)小，級(jí)配不良，不均勻系數(shù)Cu為2.2，曲率系數(shù)Cc為1.3，中值粒徑d50為0.15mm。其比重為2.69，天然含水率在4%左右，天然密度為1.58g/cm3。地下水位較深，一般在10m以下。在工程結(jié)構(gòu)方面，路基采用填方路堤形式，路基寬度為26m，其中行車道寬度為2×3.75m，硬路肩寬度為2×3.0m，土路肩寬度為2×0.75m。路堤邊坡坡度為1:1.5。為提高風(fēng)積砂的工程性能，采用水泥和粉土混摻的改良方法。水泥摻量為5%，粉土摻量為15%。改良后的風(fēng)積砂用于路基填筑，分三層進(jìn)行填筑，每層壓實(shí)厚度為30cm。在路基頂部設(shè)置了50cm厚的水泥穩(wěn)定碎石基層和15cm厚的瀝青混凝土面層。在施工過程中，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行改良風(fēng)積砂的制備和填筑。將風(fēng)積砂、水泥和粉土按照設(shè)計(jì)比例在攪拌站進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁_保材料均勻混合。填筑時(shí)，采用分層填筑、分層壓實(shí)的方法，使用振動(dòng)壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，控制壓實(shí)度達(dá)到96%以上。在填筑完成后，對(duì)路基進(jìn)行了平整度、壓實(shí)度等指標(biāo)的檢測(cè)，均滿足設(shè)計(jì)要求。然而，由于該地區(qū)冬季寒冷，路基不可避免地受到凍融循環(huán)的影響。在經(jīng)歷了一個(gè)冬季的凍融循環(huán)后，對(duì)路基進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。通過鉆芯取樣，對(duì)改良風(fēng)積砂的強(qiáng)度和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，部分路段的改良風(fēng)積砂強(qiáng)度有所下降，微觀結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了孔隙增大、顆粒間聯(lián)結(jié)減弱等現(xiàn)象。這些變化對(duì)路基的穩(wěn)定性和耐久性產(chǎn)生了潛在的威脅，因此需要對(duì)凍融循環(huán)作用下改良風(fēng)積砂的性能變化進(jìn)行深入研究，以采取有效的措施保障路基的長期穩(wěn)定。7.2現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析為全面評(píng)估凍融循環(huán)對(duì)改良風(fēng)積砂在實(shí)際工程中的性能影響，在該高速公路項(xiàng)目的試驗(yàn)路段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)內(nèi)容涵蓋土體溫度、變形、含水率等關(guān)鍵指標(biāo)，通過對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，驗(yàn)證研究成果在實(shí)際工程中的應(yīng)用效果。在土體溫度監(jiān)測(cè)方面，沿路基橫斷面方向，在不同深度（如0.5m、1.0m、1.5m）和不同位置（路基中心、路肩邊緣）布置了溫度傳感器。溫度傳感器采用高精度熱敏電阻式傳感器，精度可達(dá)±0.5℃，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)土體溫度變化。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，在冬季凍結(jié)期，路基土體溫度迅速下降，在-20℃的外界氣溫下，0.5m深度處土體溫度最低可降至-15℃，1.0m深度處為-10℃左右，1.5m深度處為-5℃左右。在夏季融化期，土體溫度逐漸回升，各深度處溫度在30℃的外界氣溫下，分別可回升至25℃、20℃、15℃左右。通過分析不同位置和深度的溫度變化曲線，發(fā)現(xiàn)路基中心溫度變化相對(duì)較小，而路肩邊緣溫度變化較為劇烈，這是由于路肩邊緣受外界環(huán)境影響更大。在變形監(jiān)測(cè)方面，采用全站儀對(duì)路基表面變形進(jìn)行觀測(cè)，在試驗(yàn)路段每隔20m設(shè)置一個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，定期測(cè)量觀測(cè)點(diǎn)的高程和水平位移。經(jīng)過一個(gè)凍融循環(huán)周期后，觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，路基表面出現(xiàn)了一定程度的沉降和水平位移。在路基中心位置，沉降量約為15mm，水平位移為5mm；在路肩邊緣，沉降量達(dá)到20mm，水平位移為8mm。這是因?yàn)閮鋈谘h(huán)導(dǎo)致改良風(fēng)積砂內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷，強(qiáng)度降低，在自身重力和車輛荷載作用下發(fā)生變形。通過對(duì)比不同位置的變形數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)路肩邊緣的變形大于路基中心，說明路肩部位的改良風(fēng)積砂在凍融循環(huán)作用下更易受到破壞。對(duì)于含水率監(jiān)測(cè)，采用時(shí)域反射儀（TDR）對(duì)路基不同深度的含水率進(jìn)行測(cè)量，在0.3m、0.6m、0.9m深度處分別設(shè)置測(cè)量點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在凍結(jié)期，由于水分凍結(jié)，土體含水率有所降低；在融化期，冰融化成水，含水率升高。在0.3m深度處，凍結(jié)期含水率從初始的12%降至10%，融化期回升至14%；在0.9m深度處，含水率變化相對(duì)較小。這表明含水率的變化與凍融循環(huán)過程密切相關(guān)，且不同深度處含水率變化程度存在差異。將現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證研究成果的實(shí)際應(yīng)用效果。在強(qiáng)度方面，室內(nèi)試驗(yàn)預(yù)測(cè)的改良風(fēng)積砂在經(jīng)歷一定凍融循環(huán)次數(shù)后的強(qiáng)度衰減趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣測(cè)得的強(qiáng)度變化基本一致。室