水泥加固与人工冻结是岩土工程常用的两种施工方法,然而随着现实中遇到的越来越复杂的地质条件以及两种施工方法固有的缺点,开始有学者和工程师们提出将两者相结合的新方法,即先对地质条件较差的地层进行注浆加固,然后再进行人工冻结。该新工法源自两种工法但又与其有着明显的不同,而目前对水泥改良土的冻土特性的研究相对较少,本课题即在此背景下提出,通过室内试验和数值模拟两种研究手段,研究上海地区水泥改良粉质粘土的冻土力学特性。课题先进行了水泥改良粉质粘土冻土单轴压缩的室内试验,研究水泥掺量、水灰比、养护龄期、温度等对改良冻土的强度的影响,着重分析了强度、弹性模量等参数与各影响因素之间的关系,得到了对应的拟合关系式。试验结果发现,水泥改良粉质粘土的冻土强度随着水泥掺量的增加、水灰比的减小、养护龄期的延长、温度的降低而增大,同时还发现水泥的加入会使得冻土塑性降低、脆性增加,冻土的应力应变特性和破坏特征亦发生变化。研究还发现,当水泥掺量少于5%时,掺入水泥的效果不大,掺量达到20%,冻土的强度得到很大的提高,脆性明显增强;而当掺量达到40%时,冻土塑性消失,呈现出脆性,该水泥掺量的范围可以为实际工程提供参考。除了室内研究,本文还采用了颗粒流程序PFC2D对水灰比1.0、养护28d、冻结温度为-10℃的水泥土试样的冻土单轴压缩试验进行数值模拟,从细观的角度对试样内部的位移、应力、裂纹发展、试样破坏等进行分析。通过数值模拟的研究,找到了改良冻土的离散元模型,探索了PFC2D在冻土研究中的可行性。数值模拟结果表明,在水泥改良粉质粘土的冻土单轴加载过程中,试样内部的力不是均匀分布的,而是由一条条力链承担,这些力链主要分布在水泥和冰的胶结部分,证明了水泥加入是冻土强度提高的一个原因。利用数值模拟,还对加载过程中内部的裂纹发展、应力分布进行了分析,对冻土单轴压缩过程中的内部变化有了新的认识和理解。通过本课题的研究,可以得知水泥加固和人工冻结的结合是可行的,此外,软件PFC2D也可以在今后的水泥土冻土研究中加以运用,从细观的角度认识和研究冻土。