土工合成材料广泛应用于寒区工程建设,但土体与材料界面的剪切强度是其薄弱环节。受降雨、灌溉等因素影响,土体在一定深度范围内经历湿干循环作用。为研究湿干循环作用对冻土与土工合成材料界面剪切强度的影响,本文基于控温直剪仪对粉质黏土-复合土工布在常法向应力条件下界面剪切特性开展试验研究,试验因素包括湿干循环次数、温度和法向应力。结果表明,常温条件下湿干循环对界面剪切强度有劣化作用,负温条件下界面剪切强度随湿干循环次数增大整体呈现增大趋势,经过一定循环次数后趋于稳定。湿干循环作用下界面黏聚力和内摩擦角的变化规律与界面剪切强度变化规律相对应,而界面黏聚力的变化是引起剪切强度变化的主要因素。通过对剪切强度的影响变量及其交互作用进行显著性分析,发现法向应力、冻结温度和湿干循环次数均对剪切强度有强显著影响,法向应力和温度的交互作用以及温度和湿干循环次数的交互作用也对剪切强度有显著影响。本文研究成果可为复合土工布在冻土工程中的应用提供参考。

抗剪强度参数是工程设计和施工过程中必不可少的重要参数之一。为了确保红七矿副井施工安全、顺利,在现场采样和试样试验基础上,通过分析三轴抗剪强度理论模型,在-10℃和-15℃的条件下对5组试样抗剪强度及破坏效应进行了分析研究。研究结果表明:冻土试样三轴抗剪强度主要取决于内聚力和内摩擦角,且内摩擦角、内聚力与温度之间呈现负相关关系;冻土试样的温度越低,冻土试样的剪切强度越大。研究结果为红七矿副井凿井提供了理论依据。

为获得月球永久阴影区冻土的剪切强度特性，分析了月球冻土的矿物成分、粒径分布、干密度、含水率、赋存温度等物理特性，提出了月球冻土的模拟物制备与参数检测方法。基于变角剪切试验（Variable-Angle Shear Test,VAST）方法，开展了斜长质和玄武质原料混配、干密度1.71 g/cm3（相对密实度100%）、含水率3.7～9.5 wt%、温度低于–180℃的模拟月球冻土剪切强度测试。试验结果表明：模拟月球冻土在低围压下的剪切破坏模式以剪断面上的脆性断裂为主，随围压升高，模拟月球冻土的脆性降低、延性增加，破坏模式转变为整体压剪破坏，表观剪切强度下降；按直线型莫尔–库伦准则对模拟月球冻土在低围压下的剪切强度参数计算，结果显示其内聚力随含水率增加而近似线性增加，内摩擦角基本不随含水率变化，取值在50°～53°。

人工冻土强度特性具有区域性,以宁波轨道交通2号线3种海相典型土质(淤泥质黏土、粉质黏土和粉土)开展冻土单轴抗压和三轴剪切试验研究。结果表明:3种土质在不同温度下试样均为腰鼓形塑性破坏,应力-应变曲线基本呈应变硬化型,但随温度降低有向应变软化转变的趋势;单轴抗压强度和弹性模量均随温度降低而近似线性增大;重塑粉质黏土抗压强度和弹性模量均与应变速率呈幂函数关系增长;各土质最大轴向偏应力随围压的增大而增大,且具有线性关系,-10℃抗剪强度指标(c、φ)均得到大幅提高,黏聚力提高1.23～1.76MPa;宁波地区典型粉质黏土与其他地区类似地层相比,单轴抗压和抗剪强度均较低,而弹性模量偏中等,与上海地区同类土质接近。

为了认识冻土旁压试验结果与常规试验结果之间的关系,在室内分别开展了冻结重塑黏土的旁压试验和单轴压缩试验,并对试验结果进行了对比分析。结果表明,在各级荷载作用下旁压曲线一般都呈现应变速率衰减的趋势,而单轴曲线在冻土破坏时会出现渐进流动阶段。旁压试验的应力-应变曲线呈现应变硬化型,而且出现初始拟弹性阶段;而单轴试验的应力-应变曲线则属于应变软化型,并在轴向应变大约为10%时达到剪应力峰值。温度相同时,旁压试验的剪切强度以及初始弹性模量都要大于单轴试验,且温度越低差值越大。

对处于天津地铁2号线的建国道站～天津站区间隧道修复工程,为减小隧道修复对地层的扰动,必须采用盾构法进行施工。然而,由于普通加固法难以对修复前的土体进行加固,为了更加安全与经济地进行修复,需采用人工冻结法。为了给该修复工程提供冻结法设计参数和确保冻结施工过程的安全,对其典型土层进行了室内实验研究,确定了土体抗压强度、弹性模量、泊松比、剪切强度在不同温度下的损坏状态及其随温度变化的规律,根据所绘制的实验曲线作出了定量分析,得出了具有重要意义的结论。

路基土体的动力学参数是铁路设计的重要依据之一。基于冻土特殊的物理力学性质以及在列车振动荷载作用下铁路路基严重破坏的事实,进行了冻土在不同围压、动应力幅值、温度以及含水量条件下的振动三轴试验,获得了冻土的动力学参数以及动剪切强度与上述条件的关系。试验结果表明:随着围压、动应力幅值的增加和温度的降低,土体的动剪切强度增加。在冻结条件下,随着土样含水量的增加,冻土的动剪切强度增加,这与未冻结土的动强度变化规律完全不同。