在季节冻土区,周期性的冻结与融化作用持续改变着浅层非饱和土体的微结构和物理力学性质,从而直接影响着土与结构物之间的相互作用。土体与结构物接触面的应力-应变曲线关系及其强度特征是确定季节冻土区基础工程承载力、安全性和分析结构与土体相互作用的基础和关键。为了更好地服务于实际工程,同时浅析冻融作用对非饱和土-结构物接触面力学行为的影响机理,本文通过室内直剪试验分别研究了冻融前后及不同冻融次数下非饱和黄土与混凝土、钢接触面之间的基本力学行为,在此基础上开展了基于冻融作用的非饱和黄土-结构界面力学行为的工程应用研究—通过有限元软件ABAQUS建立了冻融环境下的挡土墙模型并进行了数值计算。主要研究成果如下:(1)通过对未冻融试样进行直剪试验得出数据分析,接触面上界面内摩擦角φ、界面黏聚力c随含水量的增加呈现出不同的变化规律,当试样达到界限含水量时界面内摩擦角达到最小值、界面黏聚力达到最大值。在含水量未超过界限值时,随着含水量的增加,界面内摩擦角先增大后逐渐下降、界面黏聚力持续增加;当含水量超过界限值时,随着含水量的增加界面黏聚力急剧减小,混凝土接触面界面内摩擦角持续增大,而钢接触面内摩擦角先增大后逐渐减小。(2)对平行土样采用滤纸法测定其基质吸力,以探讨基质吸力对非饱和土-结构抗剪强度影响。通过分析,抗剪强度与基质吸力的作用面积成正比例,而与基质吸力的大小不成正比,在基质吸力最大时土与结构物之间形成的弯月形水膜将逐渐收缩并发生崩解,导致基质吸力作用面积减少,经过第一次冻融循环由于水分的迁移使界面处粒间弯月形水膜的数量达到近似理想值,使基质吸力在接触面上的作用面积达到最大值,此时基质吸力对界面抗剪强度的贡献达到最大值,随冻融次数的增加水分迁移加剧,基质吸力的作用面积逐渐减小。(3)两种材料试样接触面受到竖向荷载的影响所产生的破坏特点相似,主要有2种。(1)当竖向荷载较低(不超过200k Pa)时,冻融前以及不同冻融次数下接触面呈脆性破坏型,剪应力-位移曲线呈软化型,接触面强度达到峰值后其抗剪能力逐渐丧失;(2)当竖向荷载较大时,接触面由脆性破坏向塑性破坏转变,界面处的剪应力达到峰值后由弹性变形向塑性硬化转变,剪应力释放缓慢,曲线下降不明显。另外,同一竖向荷载下,不同冻融次数下(不包括未冻融)接触面的残余强度值十分接近。(4)基于不同材料接触面上直剪试验数据分别建立相应的应力应变曲线,根据各自曲线特点选择数学模型进行拟合(混凝土材料选择广义双曲线模型,钢材料选择龚帕兹模型),得出相应的试验参数,并通过引进冻融循环次数n建立非饱和黄土与混凝土、钢界面剪应力-位移-冻融循环次数的力学模型。(5)以有限元软件ABAQUS为例尝试开展了考虑冻融作用的非饱和黄土-结构界面力学行为的工程应用研究,建立了冻融环境下的挡土墙模型并进行了数值计算。根据相应的试验参数,进行冻融循环模拟,得出挡土墙经历不同冻融次数下墙面板摩阻力的变化曲线,通过数值模拟与理论方法分别计算出的极限摩阻力对比发现两者之间相差在10%以内。