膨胀性渠基土性质受外部环境影响易发生劣化，由此造成膨胀土渠道边坡失稳破坏。为解决这一难题，人们采用粉土质砂对膨胀性渠基土进行换填。本文开展湿干循环、冻融循环及湿干-冻融耦合循环下粉土质砂换填料三轴剪切试验，研究粉土质砂换填料的应力-应变关系、弹性模量、破坏强度和抗剪强度指标的变化特征，对比分析粉土质砂换填料与膨胀泥岩的力学特性，从颗粒级配的角度揭示粉土质砂换填料强度演化特征的形成机理。研究结果表明：湿干循环、冻融循环和湿干-冻融耦合循环过程使得粉土质砂换填料的力学性能指标出现一定程度的衰减，其衰减幅度为0.3%～10.0%，显著低于膨胀性渠基土的最大衰减幅度(约40%)；相较于膨胀性渠基土，寒区复杂环境下粉土质砂换填料的力学性质更加稳定；粉土质砂换填料的颗粒级配受湿干循环、冻融循环和湿干-冻融耦合循环的影响程度较低，可见复杂环境下粉土质砂换填料的内部结构较稳定。

我国国土面积约53%为季节性冻土区,冻胀病害严重,而粉土冻胀敏感性较强。因此,研究粉土冻胀特性显得尤为重要。环境温度是影响土体冻胀特性的重要因素,为探求顶端冷却温度对粉土冻胀特性的影响,采用恒温箱、循环冷浴、Data Taker 80数据采集仪等组成冻胀试验装置,通过高精度温度探头和位移传感器,实时观测试样内部温度和冻胀变形,对土样进行了开敞系统条件下的冻胀试验。试验结果表明:粉土最大冻结深度随顶端冷却温度的降低而增大;土样的总冻胀量、冻胀率、总水分入流量随顶端冷却温度的升高呈线性增大;当顶端冷却温度一定时,土样距离顶端由远及进含水率先增大后减小,靠近冻结锋面处含水率增量最大。且土样各处冻后含水率分布随顶端冷却温度的降低而减小。

为研究冻融作用对重载铁路路基粉土填料静动力学特性的影响,对冻融前后神朔铁路粉土填料进行了静动三轴剪切试验。试验结果表明:该粉土的动、静强度均随着冻融次数的增加而逐渐减小;当冻融次数相同时,试样的静强度大于动强度;动、静黏聚力随冻融次数先减小后趋于稳定,而动、静内摩擦角随冻融次数先增大后趋于稳定;试样的静黏聚力小于动黏聚力,静内摩擦角大于动内摩擦角;该粉土的动初始弹性模量随冻融次数先降低后趋于稳定,而静初始弹性模量随冻融次数先增大后趋于稳定;当冻融次数相同时,试样的动初始弹性模量大于静初始弹性模量;冻融后试样的等效剪切模量小于未冻融试样;冻融作用对该粉土的等效剪切模量的影响主要集中在前5次冻融循环。

二元介质模型已成功用于模拟未冻结岩土材料,比如岩石、均质或各向异性结构性土、超固结黏土、堆石料以及黄土。类似地,为了探讨冻土的应力应变关系,此处引入二元介质模型来模拟其应力应变关系。基于岩土破损力学理论框架和二元介质模型概念,将饱和冻结粉土抽象成具有强胶结特性的胶结元(冻土骨架)和无胶结特性的摩擦元(融土骨架),胶结元在一定围压下会产生压碎和压融现象,随围压的增大逐步破损并向摩擦元转化,二者共同承担外荷载。在-6℃和0.3～15.0 MPa围压下对冻结粉土进行了一系列低温三轴压缩试验,结果表明:随变形的增大,应力应变曲线均呈三阶段变化,分别是线弹性阶段、弹塑性阶段和应变软化阶段;强度随围压的增大呈先增大后减小的趋势,极限强度对应下的围压称为临界围压,且临界围压下的软化现象最不明显。通过细观角度运用二元介质模型概念探讨了冻土变形破损机理,在非均质材料均匀化理论基础上建立了冻土二元介质模型,讨论了破损率函数演化规律。理论与试验结果对比表明,所建立的模型可以较好地模拟冻土的应变硬化和软化现象。