GDS非饱和土三轴仪UNSAT应用实例（同济大学/中科院西北院论文）

同济大学和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等科研团队于2024年3月在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》期刊联合发表了题为“Influence of anionic polyacrylamide on the freeze–thaw resistance of silty clay”（阴离子聚丙烯酰胺对粉质黏土抗冻融性能的影响”的学术论文。本研究基于GDS应力路径三轴系统开展单调加载试验与亚塑性建模，揭示颗粒破碎和初始相对密度对钙质砂应力-应变-临界状态的耦合控制机制，建立统一破碎演化方程，构建可同步预测级配、强度与变形的新型亚塑性模型，为岛礁及离岸回填体抗震变形计算提供本构支撑。

https://doi.org/10.1016/j.coldregions.2023.104111

*论文版权归原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。

以下是对这项成果的简要介绍：

论文摘要

冻融交替会显著改变细粒土的性质，常常导致寒区渠堤、道路等回填基础工程失效。为此，本研究采用水溶性阴离子型聚丙烯酰胺（APAM）对细粒土——尤其是粉质黏土——进行改良。论文系统分析了APAM聚合物对粉质黏土在未冻及多次冻融循环下的物理-力学与微观结构特性的影响。通过设定不同掺量和冻融循环次数，开展Zeta电位、导热系数、渗透、三轴压缩及扫描电镜（SEM）等系列试验；并构建单向冻结试验，揭示APAM改良土的热-水-力耦合过程。

结果表明：APAM的引入显著提升了粉质黏土的宏观工程性能与微观结构特征，主要归因于聚合物带来的电荷中和、吸附架桥及疏水相互作用。然而，所有土样在冻融循环中均出现性能劣化，尤以第3次循环后最为明显；相较未处理样，APAM改良样表现出更优的抗冻融稳定性。单向冻结过程中，孔隙水因温度梯度自未冻区向冻结锋迁移，而改良样的迁移量显著低于未处理样，当APAM掺量为0.30%时总冻胀量降低55.25%。研究成果可为寒区回填基础工程的冻害防控提供技术依据，并加深对生态友好型APAM聚合物固化机制的理解。

试验设备

本研究使用了GDS非饱和土三轴试验系统UNSAT等设备。

实验方法及相关图表

*图表为论文截图，版权归论文原作者和出版方所有，本文仅为学习交流。

图 1 粉质黏土颗粒级配曲线

图 2 粉质黏土矿物成分 X 射线衍射图谱（主要矿物包括石英、钠长石、方解石、绿泥石、伊利石和白云石）

图 3 土壤改良剂 APAM 聚合物（外观为白色颗粒或粉末，溶于水后呈半透明黏稠状）

图 4 冻融循环试验设备与流程示意图（包含冻融箱、土样制备、冻融循环试验，以及后续的导热系数测试、SEM 观测、三轴压缩试验、渗透性测试），其中冻融循环参数为：冻结温度 - 15℃/8h、融化温度 20℃/8h，循环次数设为 0、1、3、6、9 次

图 5 单向冻结试验系统示意图（包含位移传感器、保温棉、温度传感器、冷浴、冻结土样、数据采集系统、供水系统）

图 6 不同 APAM 添加比例下浆液的 zeta 电位变化曲线

图 7 各土样在不同冻融循环次数下的导热系数变化曲线

图 8 各土样在不同冻融循环次数下的渗透系数变化曲线

图 9 不同 APAM 添加比例下土样的偏应力 - 应变曲线与破坏强度：(a) 不同 APAM 添加量和围压下的偏应力 - 应变曲线，(b) 不同 APAM 添加比例下土样的破坏强度变化

图 10 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在不同冻融循环次数下的力学性能：(a)-(b) 不同冻融循环次数和围压下的偏应力 - 应变曲线，(c)-(d) 冻融循环次数对两种土样破坏强度的影响

图 11 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在不同冻融循环次数下的抗剪强度参数（黏聚力和内摩擦角）变化曲线（黏聚力随冻融循环次数呈指数下降，内摩擦角呈线性下降）

图 12 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）微观结构特征（SEM 图像，放大 500 倍）：(a) T1（未改良）：存在大量大直径支架孔隙，颗粒以点 - 点、点 - 面接触为主，结构松散；(b) T4（改良）：支架孔隙显著减少，形成大量团聚体，颗粒以面 - 面接触和镶嵌接触为主，呈致密堆积结构

图 13 未改良土样（T1）在不同冻融循环次数下的微观结构变化（SEM 图像，放大 500 倍）：(a) 冻融循环 1 次（N=1），(b) 冻融循环 3 次（N=3），(c) 冻融循环 6 次（N=6），(d) 冻融循环 9 次（N=9）（冻融循环导致土样出现大量裂纹，孔隙增多，结构愈发破碎）

图 14 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在不同冻融循环次数下的微观结构变化（SEM 图像，放大 500 倍）（相较于 T1，T4 在相同冻融循环次数下的结构破损程度更轻）

图 15 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在不同冻融循环次数下的表面孔隙率变化曲线（改良土样表面孔隙率低于未改良土样，且冻融循环导致的孔隙率增幅更小）

图 16 未改良土样（T1）与 APAM 添加量 0.30% 的改良土样（T4）在单向冻结过程中不同深度处的温度随时间变化曲线（温度变化分为冷却阶段和稳定阶段，T4 冷却速率更快）

图 17 不同 APAM 添加比例下土样在单向冻结过程中不同深度处的体积含水率变化曲线（冻结前缘处含水率最高）

图 18 不同 APAM 添加比例下土样在单向冻结过程中的冻胀变形变化：(a) 冻胀变形随时间变化曲线（分为原位冻胀和迁移冻胀），(b) 不同 APAM 添加比例下的原位冻胀量与迁移冻胀量对比

研究结论

寒区渠堤与路基回填体在冻融循环中易生剧烈冻胀融沉，提升填料抵御冻害的能力成为工程安全的关键。本工作引入环境友好型 APAM 聚合物对粉质黏土进行改性，借助多轮冻融试验与单向冻结试验，评价其抗冻融与抗冻胀表现，依据测试数据及分析获得如下认识：

（1）掺入 APAM 后粉质黏土工程性状显著优化：土粒与聚合物链间的静电作用使浆体 zeta 电位先降后升；APAM 经氢键覆盖于黏粒表面并桥接邻近颗粒，生成团聚体，削减微孔隙占比，从而同步提高导热率、渗透系数及力学指标。试验表明，现场应用时 APAM 的最佳掺量宜取 0.30%。

（2）冻融循环导致改性及原状粉质黏土微观密实度均降低，工程性能随之大幅衰退：三轴结果显示，随循环次数增多，各土样黏聚力呈指数衰减，内摩擦角线性减小；强度与结构的弱化在第三次循环后最突出，此后衰减幅度趋缓。同时，APAM 的引入通过增强粒间咬合提升了粉质黏土的冻融耐久性。

（3）单向冻结阶段，土体温度历时曲线可划分为降温段与恒温段；在温度梯度驱动下，孔隙水自未冻区向冻结锋面运移，并于锋面处聚集成冰透镜，诱发冻胀；冻胀量显著受供水状况与 APAM 掺量控制，改性样水分迁移量低于原状样，因而有效抑制了冻胀变形。

备注：论文及摘要等为论文原文的中文译文，仅供快速参考；若遇语义或技术细节歧义，请以英文原文为准。完整研究内容、参数取值及验证数据请查阅原文。

GDS非饱和土三轴试验系统UNSAT

GDS非饱和土三轴试验系统（UNSAT）是对传统三轴试验的延伸，可以在接近实际地应力状态和饱和度条件下对地下水位以上的土体进行测试。所有GDS三轴测试系统（以及其他制造商的三轴设备*）都可以进行改造，以进行非饱和土三轴测试。GDS可以提供4种方法来进行非饱土测试。

非饱和测试也可以运用到以下试验类型中：剪切、空心扭剪、共振柱和真三轴试验。

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