寒區庫岸邊坡巖體凍融劣化及穩定性研究

李 亮

(山東省臨沂市水利勘測設計院，山東 臨沂 276800)

1 概 述

工程建設中經常遇到巖土體凍融問題，凍融將造成巖土體力學性質發生改變，這是工程建設急需解決的問題，也是困擾工程建設的重大問題。因此，對巖土體進行凍融循環實驗，研究其力學特性具有重要意義。

許多專家學者對巖土體進行凍融循環力學實驗，研究巖土體的力學特性變化。石長安[1]利用凍融循環研究黃土力學性質的變化；李建華[2]研究凍融循環作用下，路基的沉降特性；孟祥振[3]研究凍融和荷載耦合作用下，巖體的損傷本構模型；劉澤群[4]利用凍融試驗，研究黃土的動力演化特性；錢程[5]利用凍融實驗，對黑方臺地區黃土結構在凍融作用下的結構變化進行研究。常丹等[6]采用常規三軸試驗，研究凍融溫度、循環系數、圍壓等條件對粉砂土強度的影響，結果表明7～9次循環后，巖土體強度達到最小值。倪萬魁等[7]通過反復凍融和電鏡掃描研究洛川黃土的結構和強度變化，結果表明隨著凍融次數增加，黃土結構變得疏松，50次后天然膠結完全破壞。肖東輝等[8]通過實驗研究凍融次數和黃土孔隙率變化的關系，研究發現隨著凍融次數的增多，大孔隙孔隙率先減小后增大，小孔隙孔隙率先增大后減小。

本文在前人研究的基礎之上，通過凍融循環力學實驗，研究多次凍融循環作用下的巖土強度變化，依據強度參數變化，使用折減后的參數進行邊坡穩定性驗算。

2 凍融循環實驗條件

2.1 實驗材料和設備

通過現場對庫岸邊坡的實地調查，獲取邊坡的地形地貌、地質構造條件。同時，在現場獲取原狀樣，進行室內凍融循環試驗。

2.2 實驗方案設計

目前，凍融循環常用的設備為恒溫恒濕箱。為了模擬當地的氣候條件，在-15℃條件下對樣品進行凍結，在15℃條件下對樣品進行解凍。凍結時間為24h，消融時間為24h，完成一次凍結—消融即完成一次凍融實驗。在進行1、2、4、6、8次凍融循環后，進行三軸試驗獲取強度變化特征。圍壓分別為50、100、200和300 kPa。實驗過程中，剪切速率控制為0.015 mm/min，設置軸向應變速率為0.012%/min，當軸向應變大于20%時，可停止加載。

3 凍融循環作用下力學特性研究

3.1 應力——應變關系

不同情況下，最大主應力和最小主應力之差和軸向應變的關系見圖1。原始試樣的應力應變關系曲線變化較為穩定，呈現出較弱的應變軟化現象。剪應力與應變的關系為:加載初期，剪應力急劇增大，隨著應變的增加剪應力逐漸趨于穩定。凍融循環應力——應變關系曲線呈現出明顯的應變軟化現象，且圍壓越小，應變軟化現象越明顯，應變軟化程度越高。隨著循環次數增加，巖體強度逐漸降低。在圍壓相同的情況下，隨著凍融循環次數增加，巖體強度逐漸減小。通過擬合分析，獲取巖土體偏應力與循環次數的關系曲線(圖2)：y=-31.86ln(x)+269.11，其中x為循環次數，y為偏應力。

圖1 不同凍融循環次數下試樣的偏應力與軸向應變之間的關系曲線

圖2 不同凍融循環次數下試樣的偏應力與循環次數關系曲線(σ=50 kPa)

3.2 抗剪強度

抗剪強度是巖土體的一個重要力學特性，其大小對巖土體穩定性具有重要的影響作用。試驗樣品原始C值為64.5 kPa，φ值為24.5°。使用摩爾-庫倫準則，對試樣的實驗結果進行分析，獲取黏聚力和內摩擦角在進行凍融循環后的變化特征。通過應力-應變曲線可以看出，樣品強度參數(C，φ值)在完成首次實驗后產生最大幅度的降低。在應力相同的情況下，進行8次凍融循環后C值降低約31.8%，φ值增大約4.8%(與天然狀態數據對比)；巖土樣凍融循環次數的增加，C值逐漸減小，φ值逐漸增大，但兩者的減小和增大速率逐漸降低。在循環實驗環境下，樣品強度參數將趨于一個穩定值。可以發現，凍融循環6次后巖土體強度變化趨于穩定。常丹、Yu等[9-10]認為巖土體顆粒間的膠結作用強度決定其內聚力C值，顆粒間的粗糙度決定巖土體的內摩擦角。在凍融循環作用下，巖土體間產生干縮裂隙和凍脹裂隙，導致巖土體顆粒間膠結程度降低，巖土體內聚力明顯減小。在凍融循環作用下，顆粒間孔隙減小，顆粒間相互位移的摩阻力增大，這也導致了隨著凍融循環的進行，巖土體內摩擦角不斷增大。

4 邊坡穩定性研究

邊坡選取遼寧一處庫岸邊坡，該處巖土體為膨脹巖，邊坡高15.7 m，長約125.5 m。邊坡上覆耕植土，厚度為0.5～1.0 m。邊坡全貌見圖3。采用數值模擬方法，研究不同循環試驗下，邊坡穩定性的變化及變形趨勢。

4.1 數值模擬模型建立及參數選取

根據現場調查原型，建立該邊坡數值模擬模型，數值模擬參數根據凍融循環實驗結果選取。見圖4。

圖3 庫岸邊坡全貌圖

4.2 結果分析

4.2.1 穩定性系數分析

將凍融循環條件下巖土體強度作為數值模擬計算的參數取值，分析不同試驗條件下，邊坡的穩定性系數。邊坡穩定性系數變化見圖5。由圖5可知，凍融循環穩定性系數變化相對較小。

根據凍融循環后巖土體抗剪強度變化特征分析，該類型斜坡的穩定性對于內聚力的敏感性大于內摩擦角。

圖5 循環試驗下邊坡穩定性系數變化

4.2.2 變形破壞特征分析

針對試驗進行8次后的邊坡變形云圖，分析斜坡的變形特征凍融循環實驗的響應機制。

圖6(a)為天然強度條件下邊坡的變形云圖，最大變形為1.2 cm，變形相對較小；圖6(b)為8次凍融循環試驗后邊坡的變形云圖，最大變形為1.5 cm。因此，對于寒區邊坡穩定性支護措施設計分析時，應考慮凍融循環的作用。

圖6 不同條件下邊坡變形云圖

5 結 論

1) 進行凍融循環試驗后，巖體應力-應變曲線由穩定型變為應變軟化型；巖體強度參數也產生一定的變化，C值減小，φ值增大。

2) 使用強度折減后的參數進行邊坡穩定性分析，參數的折減將增大邊坡的位移，因此在寒區邊坡支護時應考慮凍融作用的影響。

3) 庫岸邊坡庫水位是一個動態變化過程。因此，對于坡腳的巖土體，需要同時考慮凍融-干濕循環作用，可進行更加深入的研究。