冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理研究

何鹏飞，马 巍，穆彦虎，董建华，黄永庭,4



冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理研究

何鹏飞1,2,4，马 巍1※，穆彦虎1，董建华3，黄永庭1,4

（1. 中国科学院西北生态环境资源研究院，冻土工程国家重点实验室，兰州 730000； 2. 兰州理工大学理学院，兰州 730050；3. 兰州理工大学土木工程学院，兰州 730050；4. 中国科学院大学工程科学学院，北京 100049）

在高寒区水利工程中，冻土与混凝土接触界面的力学特性对于衬砌的稳定性和长期服役性能有着重要的影响。为研究冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理，开展了试验温度为-1～-5 ℃，初始含水率为9.2%～20.8%，法向压力为50～300 kPa条件下冻结黄土-混凝土界面直剪试验。通过研究界面剪切应力-位移曲线特征，结合摩尔库伦强度理论，将峰值强度分解为残余强度和界面冰胶结强度，对冻土-混凝土界面冻结强度形成机制进行解释。相应将界面黏聚力分解为峰值强度黏聚力和残余强度黏聚力，界面摩擦系数分解为峰值强度摩擦系数和残余强度摩擦系数。结果表明：界面冰胶结强度随着试验温度下降而增大，但受法向压力影响很小。在初始含水率为13.1%，法向压力100 kPa时，试验温度由-1下降至-5 ℃，冰胶结强度由4.4增加至111.1 kPa。界面残余强度随着法向压力增大而增加，但受试验温度影响很小。在含水率20.8%，试验温度-5 ℃时，法向压力由50增加至300 kPa，残余强度由34增加至177 kPa。界面峰值强度黏聚力随温度的降低呈指数增长，在含水率13.1%时，温度由-1下降至-5 ℃，峰值强度黏聚力由35.09增加至148.05 kPa，而残余强度黏聚力变化很小。界面处摩擦系数受试验温度影响较小。该研究可为寒区衬砌工程等冻土-构筑物接触面结构建设提供参考。

冻土；应力；界面；冻土-混凝土接触面；冻结强度；黏聚力；摩擦系数

0 引 言

冻土与混凝土接触面问题广泛存在于各种寒区工程结构中，尤其在水利工程中，冻结渠基土与混凝土衬砌界面间力学特性对渠道的稳定性和长期服役性能有重要影响。在中国，季节冻土区和多年冻土区分布面积分别占国土面积53.5%和21.5%[1]。在这些广袤的寒区，修建有大量输水渠道工程，由于区域纬度跨度较大，气候复杂多样，使得修建于寒区的渠道工程面临严重的冻害问题，导致其使用寿命差别巨大[2]。其中一个重要问题为衬砌破坏问题，主要原因是基土冻胀力、衬砌与基土间冻结力及衬砌强度之间失去平衡，从而导致衬砌破坏，加剧渠道渗漏。通常使用结构力学方法对衬砌进行受力分析，将衬砌板简化为压弯组合变形构件，将冻结力、冻胀力进行简化，结合衬砌抗裂强度推导得到衬砌板受力分布，用于衬砌强度校核。王正中等[3-5]建立了不同断面渠道衬砌受力分析模型，研究表明冻胀力、冻结力最终都是最大切向冻结力的函数，只要得到冻结力的分布就可以对模型求解。孙杲辰等[6]引入线性断裂力学建立了衬砌板断裂力学破坏准则。宋玲等[7]考虑温度对冻胀力的影响，对冬季输水渠道衬砌进行受力分析，建立衬砌板厚度计算方法。肖旻等[8–10]等结合预制板衬砌接缝材料的剪切强度和衬砌受力模型，提出了一种冻胀破坏判断准则。刘月等[11]研究基土水分场和温度场对冻胀的影响，但没有考虑基土与衬砌间冻结力。使用结构力学方法建立衬砌板力学模型，并考虑其他因素的影响对衬砌破坏位置成功进行了预测，但已有研究都将冻结力简化为线性分布，且参数选取没有明确试验依据，这显然会影响衬砌受力分析的精确性。因此，欲建立更加完善的衬砌板力学模型，必须考虑不同条件下的冻土-混凝土界面冻结强度的影响。

许多学者从不同角度开展了冻土与混凝土等构筑物界面冻结强度研究。Penner等[12]提出温度对冻结强度的影响，得到经验冻结强度计算公式。Bondarenko等[13]对冻土与岩石界面的瞬时冻结强度和长期冻结强度进行试验研究，结果表明温度对界面黏聚力的影响很大，但对界面摩擦角的影响很小。Ladanyi等[14-20]研究表明界面冻结强度受到冰、土、水等因素综合作用，并用摩尔-库仑公式描述冻结界面剪切强度。孙厚超等[21-24]对不同条件时冻土与混凝土界面冻结强度进行了试验研究。吕鹏等[25]对界面冻结强度机理进行了描述，指出冻土与混凝土接触面冻结强度受到垂直压力、土体含水量、混凝土表面粗糙度、接触面温度及土样物理性质等因素的影响。在常温条件下，土体与接触面的抗剪强度分为土颗粒与混凝土界面的黏结作用和土颗粒与界面之间摩擦作用。但是，当温度降低到0 ℃以下后，土体与混凝土界面生成冰，此时冻结接触面的峰值抗剪强度实际是冻结强度，其包括冰胶结力和土、未冻水与混凝土接触面的黏聚力和摩擦力。在界面滑动破坏后，冰胶结力消失，剩余残余强度由黏聚力和摩擦力组成。但文中仅给出定性的解释，并没有根据试验数据进行定量的分析。

对冻土-混凝土界面冻结强度的研究已经被广泛关注，已有研究成果均表明温度对冻结强度影响很大。但是，在负温条件下，界面冻结强度发挥机制以及冰对界面冻结强度发挥机制的影响的研究较少，而在负温条件下，界面冰对冻结强度的影响很大。因此本文通过大量系统的冻土与混凝土界面冻结强度直剪试验，考虑土体温度和初始含水率的影响，分析冰对冻结强度的影响，并结合摩尔-库仑强度理论对冻土-混凝土界面冻结强度的发挥机制进行深入探讨，以期为寒区渠道衬砌受力分析和冻害机理研究提供基础。

1 试验材料及方法

本试验在冻土工程国家重点实验室的低温冷库中开展，通过直剪仪开展冻土-混凝土界面冻结强度剪切试验，采集各时刻下冻土-混凝土界面的剪切应力和剪切位移，分析不同法向压力、土体初始含水率和试验温度对界面冻结强度的影响。

1.1 试样制备

试验所用土料取自甘肃省永登县境内(36°36¢34²N，103°22¢05²Ｅ，海拔1 917 m），为地表浅层Q4黄土。按照《土工试验规程》[26]进行物理性质测试，物理指标如表1所示，属于低液限黏土。试样制备过程参考郑剑锋等[27]使用的试验方法，包括混凝土试样制备、土样制备和冻土-混凝土试样制备。

1.1.1 混凝土试样制备

混凝土试样制备过程共5步：1）使用直径为61.8 mm高20 mm的环刀作为模具，在环刀内壁均匀涂抹一层凡士林；2）使用PO32.5普通硅酸盐水泥拌合天然河沙制作混凝土砂浆，水泥、沙和水比例为1.8∶3∶1。由于试样尺寸较小，剔除砂浆中砾石等较大颗粒；3）将混凝土砂浆均匀地装入环刀中，抹平使混凝土样厚度与环刀高度相同；4）将浇筑完成的混凝土试样按照标准程序养护28 d[28]；5）使用千斤顶将混凝土试样从环刀中顶出，选取厚度为20 mm的作为最终混凝土试样。

1.1.2 土样制备

土样制备过程共2步：1）原状土料自然风干后充分搅拌，然后碾压过2 mm筛，使用烘干法测定初始含水率；2）按照预定含水率（9%、13%、17%和21%）拌合黄土与水，然后过2 mm筛装入密封袋中12 h以使含水率均匀分布，使用烘干法测量土样含水率作为实际含水率。

1.1.3 冻土-混凝土试样制备

冻土-混凝土试样使用高40 mm，内径61.8 mm环刀作为试样仓，制备过程共5步：1）用塑料胶带将试样仓一端封闭，将混凝土块放置入试样仓内靠近塑料胶带一侧；2）根据预定干密度和土样含水率，称取一定质量湿土均匀地装入试样仓中；3）使用冻土工程国家重点实验室研制的标准压样机缓慢匀速的对装入试样仓的土样施加压力[29]，直到土样高度到达20 mm，试样中土体部分的干密度为1.68 g/cm3；4）使用保鲜膜对整个试样仓包裹防止水分散失，然后放入–20 ℃冰箱中快速冻结24 h，待样品完全冻结后，使用千斤顶将冻土-混凝土试样从样品舱中顶出，得到试验样品；5）将样品重新包裹保鲜膜放入恒温冰箱中按照试验温度恒温24 h。

表1 试验用土物理性质

1.2 试验仪器

使用南京土壤仪器厂生产的ZJ四联应变控制直剪仪开展冻土-混凝土界面冻结强度试验。图1a，1b分别为试验仪器整体图和剪切盒图。剪切盒由上下2部分组成，上剪切盒高度20 mm，与测力计相连；下剪切盒高度20 mm，与加载电机相连。上下盒中间界面为剪切面，于是冻土-混凝土试验样品冻结界面正好与剪切面重合，直剪仪可自动记录剪切盒水平位移及界面剪切力。直剪仪安装在低温实验室，室内温度可自动控制，控温精度在±0.5 ℃，试验中实时测量环境温度，使其尽可能接近设定温度。

图1 剪切试验仪器、剪切盒、试样和试样受力简图

1.3 试验过程

参考Wen等[22]使用的试验方法，本文中的试验过程主要包括以下几步：1）检查试验仪器与控制电脑连接状态，确定控制软件运行正常；2）将已经恒温24 h的一组，共4个样品放入直剪仪剪切盒中，调整测力环，然后加上盖施加法向压力，在控制软件上对位移和剪切力清零，开始剪切；3）剪切过程中软件可以自动记录剪切位移和剪切力，并在软件中绘制两者变化规律图，方便对试验过程进行监控。

图1c为试验前冻土-混凝土样品，冻土与混凝土接触面正好在整个试样的中间位置。图1d为试验时样品受力简图，样品上表面受均匀分布的法向压力，上半部分受水平方向推力，使冻土部分向右运动，下半部分混凝土块右侧受水平方向反作用力，因此在接触面处发生剪切变形，最终剪切破坏。试验过程中控制变量包括：剪切模式为位移控制模式，剪切速率为0.8 mm/min的快剪试验，法向应力设定为50、100、200、300 kPa，配置含水率为9.2%、13.1%、17.1%、20.8%。试验温度控制为19、–1、–3、–5 ℃。

2 试验结果及分析

2.1 冻结界面剪切应力-剪切位移曲线特征

图2为不同法向压力和试验温度条件下冻土-混凝土界面剪切应力-剪切位移曲线图。从图2a中可以看出，当试验温度为–5 ℃时，曲线表现出明显的后峰值强度阶段应变软化行为，即当应力超过峰值强度后，随着位移的增加强度出现了明显的下降。因为峰值强度过后，在冻土-混凝土界面处的胶结冰被剪断，而胶结冰为脆性材料，因此会出现应力突然下降现象。随着位移的增加，曲线到达残余强度阶段，应力基本不变，此时的剪切强度为接触面摩擦力所提供。图2b为试验温度–1 ℃时冻结界面剪切应力-剪切位移曲线，可以看到不同于–5 ℃时，曲线没有明显的应变软化行为，应力到达峰值强度后进入残余强度阶段。这是因为–1 ℃接近土样的冻结温度[30]，此时界面处形成的胶结冰很少，界面冻结强度主要由摩擦力和土颗粒黏聚力提供，因此不会出现应力突然下降的应变软化现象。

注：含水率为13.1%。

图3为不同试验温度和含水率条件下冻土-混凝土界面剪切应力-剪切位移曲线图。从图3可以看出，随着试验温度的降低，剪切应力-剪切位移曲线由塑性破坏逐渐向脆性破坏过渡。在温度为19 ℃时，界面不存在冰晶，曲线出现弱软化现象，因为在含水率较低时界面处黄土存在一定的结构性[29]。在温度为–1 ℃时，由于土体含水率较低以及在–1 ℃时只有少量冰晶存在，从而对界面剪切强度的影响很小，因此曲线仍然表现出弱软化现象。当温度下降至–3和–5 ℃时，界面冰晶含量会明显增多，冰晶的胶结力使得界面强度明显增大，因此在破坏时表现为峰值强度后应力迅速下降，这是由于冻土-混凝土界面处大量冰晶发生脆性断裂，使得试样破坏形式为脆性破坏。随着温度由–1下降至–5 ℃，峰值强度由79.3增加至201.2 kPa，增加了154%。残余强度由74.9增加至90.1 kPa，增加了20%，冰胶结强度由4.4增加至111.1 kPa。在含水率为20.8%条件下（如图3b），试验温度由–1下降至–5 ℃，峰值强度增加了466%，残余强度增加了40%，相比含水率13.1%条件下的剪切强度，其增涨幅度明显增大。从图3a、3b可以看到，试验温度对界面峰值强度的影响很大，这是因为土体中未冻水含量与试验温度有相关。当土体温度降低至冻结温度时，土体内水分开始冻结，使冻结界面冰晶含量增加，引起界面冻结强度增大[30]。图4为2种不同初始含水率时土样中未冻水含量随温度变化规律，可以看到当温度从0下降至–5 ℃时，初始含水率为21.6%时土体中未冻水含量下降至7.1%，饱冰度达到70.3%，初始含水率为13%时土体中未冻水含量下降至5.9%，饱冰度达到34.3%。在相同负温下，未冻水含量随初始含水率增大而增大的原因是由于未冻水不但存在于土颗粒的外围，而且也存在于冰晶之间。

注：法向压力为100 kPa。

图4 不同初始含水率时未冻水含量-温度曲线

图5为不同含水率和温度时剪切应力-剪切位移曲线。图5a为温度为–1 ℃时曲线，可以看出不同含水率时曲线变化特征相似，没有出现明显的后峰值强度下降，峰值强度随着含水率增大略有减小。从图5b中可看到，当温度为–5 ℃时，随着含水率的增加，界面峰值强度明显增大，含水率从9.2%增大至20.8%，峰值强度由113增大至399.5 kPa。这是由于–5 ℃时土体内大量自由水和部分弱结合水已经冻结，界面处产生大量胶结冰提供冻结力[22,30]。同时，从图4中可以看到，温度由0下降至–5 ℃，初始含水率为21.6%时土体未冻水含率下降至7.1%，初始含水率为13%时土体未冻水含量下降至5.9%，初始含水率较大的土体内会有更多冰生成，所以初始含水率增加，界面胶结冰对冻结强度贡献增大，从而使峰值强度明显增大。

注：法向压力为100 kPa。

2.2 界面冻结强度特征分析

冻土-混凝土界面峰值强度由冰胶结强度和土与混凝土界面黏聚、摩擦作用构成，而残余强度由黏聚作用、摩擦作用及少量重新冻结的胶结冰构成[25]。由于重新冻结的胶结冰很少，故忽略其在残余强度中的贡献，因此可以近似认为峰值强度减去残余强度是界面冰胶结强度，这样就可以分析界面冰对界面冻结强度的贡献，可用式（1）描述界面冻结强度组成。

式中为峰值强度（kPa），为残余强度（kPa），为冰胶结强度（kPa）。冻土和构筑物间冻结强度规律可用摩尔库仑强度理论描述[13-14]，如式（2）所示，

式中c峰值强度对应黏聚力（峰值黏聚力），为峰值强度对应摩擦系数（峰值摩擦系数），为法向压力。对应于式（1），如果将残余强度引入摩尔库仑公式中，就可得到残余强度摩尔库仑公式，如式（3）所示。

图6a为试验温度–5 ℃、含水率20.8%时峰值强度、残余强度和冰胶结强度随法向压力变化规律图。可以看出，随着法向压力由50增大至300 kPa，峰值强度由48增加至277 kPa，残余强度由34增加至177 kPa，而强度差也就是界面冰胶结强度变化很小，说明法向压力对界面土颗粒与混凝土之间摩擦力的影响很大，而对界面处冰晶的胶结强度影响很小。图6b为法向压力100 kPa，初始含水率20.8%时峰值强度、残余强度和冰胶结强度随试验温度变化规律。可以看出随着试验温度的降低，峰值抗剪强度明显增大，而残余强度略有增加，这是由于胶结冰的冻结力所引起峰值强度的变化，而残余强度的增加是少量冰晶重新胶结造成。当温度由–1降至–5 ℃时，峰值强度由71增大至399 kPa，残余强度由71增大至109 kPa，冰胶结强度由0增大至290 kPa，说明温度降低产生较大的冻结力，而对土颗粒与混凝土界面摩擦力的影响很小。图6c为法向压力100 kPa，温度为–5 ℃时峰值强度、残余强度和冰胶结强度随初始含水率的变化规律。含水率由9.2%增大至20.8%，峰值强度由113增大至399 kPa，残余强度由68增大至119 kPa，冰胶结强度由45增大至280 kPa，在此温度下，界面处会形成大量冰晶，随着含水率的增加，界面处冰晶含量相应增加，因此含水率增加导致峰值强度和冰胶结强度明显增大，而残余强度略有增加是因为滑动破坏后，随着时间推移界面处会重新胶结小部分冰晶所致。

图6 不同法向压力、试验温度和含水率时峰值强度、残余强度以及冰胶结强度变化规律

通过上述分析可知，法向压力通过影响界面土颗粒与混凝土面摩擦力和黏聚力影响界面峰值强度，对冰胶结强度影响很小。温度降低使界面冰晶增多从而使冰胶结强度明显增大，对残余强度的影响较小。在温度较高时，含水率的增大对残余强度和冰胶结强度影响较小，温度较低时，含水率增大导致界面冰胶结强度明显增大，残余强度略有增加。

2.3 界面冻结强度发挥机制分析

在冻结状态时，随着温度的降低，冰胶结强度对界面强度影响逐渐增大，温度在界面冻结强度机理中是关键因素。因此，通过摩尔-库仑强度理论描述界面冻结强度，并分析温度对界面黏聚力和摩擦系数的影响以及界面冻结强度发挥机制。

通过摩尔-库仑公式可计算得不同含水率和试验温度时冻土混凝土界面剪切强度指标，如表2所示。可以看出，在同一含水率时，随着试验温度的降低，峰值黏聚力急剧增大，残余黏聚力略有增大，而峰值摩擦系数和残余摩擦系数无明显变化趋势。峰值黏聚力分为冰的胶结力及土颗粒与混凝土界面黏聚力，而残余黏聚力主要为土颗粒与混凝土界面黏聚力，因此，可以判断温度通过影响界面冰胶结力进而影响峰值黏聚力，但温度变化对残余强度黏聚力、峰值摩擦系数和残余摩擦系数影响较小，这也与文献[14]中研究结果相似。

表2 冻土-混凝土界面剪切强度指标

将峰值黏聚力与温度关系进行指数拟合，就可得到它随温度变化规律。在含水率为13.1%和20.8%时，峰值黏聚力和温度关系分别为c=17.13e-0.43T和c=9.18e-0.72T，其相关系数均达到0.96以上。而残余强度黏聚力、峰值摩擦系数和残余摩擦系数均随着温度变化较小，可近似认为其不随温度变化，取平均值[14]。将上述参数代入摩尔-库伦公式中，结合表2中数据，就可得到温度范围–1至–5 ℃，含水率13.1%时，考虑温度变化的界面峰值强度公式（式（5））和残余强度公式（式（6））。

式中为温度，为法向压力。

根据分析，界面冰胶结强度等于峰值强度减去残余强度，将式（5）和式（6）代入式（1）就可得到界面处冰胶结强度随温度的变化规律。

使用同样分析方法对温度范围–1至–5 ℃，含水率为20.8%时，界面峰值强度、残余强度及界面冰胶结强度进行分析，见式（8）、式（9）和式（10）。

可以看到，峰值黏聚力、残余黏聚力、峰值摩擦系数、残余摩擦系数以及界面处冰胶结强度与含水率13.1%时有相似的变化规律，只是其中的参数发生变化。

2.4 讨 论

在本文的分析中，只是从剪切应力-位移曲线和强度特征的宏观变化中对冻土-混凝土界面冻结强度机理进行了解释，但是在微观层面上，界面在变形过程中，冰的变形过程、土体的变形过程以及它们两者之间变形的叠加方式等问题尚不清楚。文中只通过3个温度点的数据对黏聚力和摩擦系数进行了分析，参数样本过少，导致拟合公式的适用性会受到影响，但是仍然可以反映这些参数的变化规律[22]。此外，由于试验条件限制，没有对冰与混凝土界面强度特性开展试验，但可以推测，与冻土的抗压强度变化规律类似，在含水率继续增大的过程中，界面冻结强度会出现一个临界值，这一临界值与饱和含水率有关，当含水率超过临界值后界面冻结强度会下降，并逐渐接近冰的强度[30-31]，这项工作将继续推进。

3 结 论

为研究冻土与构筑物界面冻结强度，选取兰州黄土和普通混凝土为材料，开展了温度范围–1～–5 ℃，含水率范围9.2%～20.8%，法向压力范围50～300 kPa时，冻土-混凝土界面直剪试验，得到不同条件时界面剪切强度变形规律，将峰值强度分解为冰胶结强度和残余强度并结合摩尔库仑强度理论对界面冻结强度发挥机制进行了分析，得到主要结论为：

1）不同试验温度和土体初始含水率对界面剪切应力-位移曲线形态有明显影响。在试验温度为–5 ℃时，剪切应力-剪切位移曲线为应变软化型，有明显的后峰值强度应力下降现象。试验温度为–1 ℃时，剪切应力-剪切位移曲线在含水率较低时（9.2%，13.1%）为弱软化型，在含水率较高时（17.1%，20.8%）为硬化型。

2）冻土-混凝土界面冻结强度可分解为残余强度和界面处冰胶结强度。冰胶结强度受法向压力影响较小，但受温度和含水率影响明显，随着温度的降低和含水率的增大，冰胶结强度在峰值强度中的贡献逐渐增大。在初始含水率为13.1%，法向压力100 kPa时，温度由–1下降至–5 ℃，冰胶结强度由4.4增加至111.1 kPa。残余强度受法向压力影响较大，但受温度和含水率影响较小。在含水率20.8%，温度–5 ℃时，法向压力由50增加至300 kPa，残余强度由34增加至177 kPa。

3）冻土-混凝土界面冻结强度可用摩尔库仑强度理论描述。界面峰值黏聚力受温度和含水率影响明显，其与温度关系可用指数函数表示。在含水率13.1%时，试验温度由–1下降至–5 ℃，峰值黏聚力由35.09增加至148.05 kPa。界面摩擦系数和残余黏聚力受试验温度影响很小。

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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

何鹏飞，马 巍，穆彦虎，董建华，黄永庭.冻土-混凝土界面冻结强度特征与形成机理研究[J]. 农业工程学报，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

国家重点研发计划重点专项（2017YFC0405101）；国家自然科学基金（41630636，41772325）；国家自然科学基金新疆联合基金重点项目（U1703244）

何鹏飞，讲师，从事冻土力学与工程方面研究。 Email：hepf17@163.com

马 巍，研究员，博士生导师，从事冻土力学与工程方面研究。Email：mawei@lzb.ac.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.015

TV91

A

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