浅析冻融循环作用下青藏高原冻土区软弱结构面长期稳定性

李书林 张哲华 陈鑫鑫 李天娇 王辛岩

（西藏大学，西藏 拉萨850000）

本文研究的高原冻土的高坡度位于西藏邦普的铂铜多金属矿山，距西藏首府拉萨市以西79 公里左右。在邦达普曲中部，山谷被山谷的山坡和山脉所环绕。在矿区高坡度上，厚度分布不均匀的松散第四纪沉积物的进一步开发。山坡上种植茂密，被腐殖质覆盖，或被霜冻风化形成的倒置岩堆覆盖。在定期冻融，高场应力的条件下，矿区形成了粘结强度低，粒径大的砾石土覆盖层。冻融作用对西藏邦铺多金属露天矿高边坡的软弱结构面的长期强度、黏聚力、内摩擦角、应力应变的影响巨大。

总体而言，文献[1]在大量黄土特性试验研究以及总结前人研究成果基础上，根据黄土力学特性、湿陷机理，提出了基于蠕变分析湿陷性黄土隧道基底加固优化方案的长期稳定性研究；文献[2]由室内的三轴蠕变试验，建立了适用于粉砂岩的幂指数蠕变模型，通过对大变形段围岩变形监测结果的反演分析，得到了围岩体的蠕变参数，并基于此对引水隧洞软岩大变形段的长期稳定性进行了分析；文献[3]通过对隧道围岩- 全风化花岗岩的一系列三轴蠕变试验研究，建立该岩石的幂指数蠕变模型嵌入到有限元程序中，分析了隧道的长期稳定性；文献[4]通过建立虑蚀变岩体流变特性的黏－弹－塑性三维本构模型，再由三维数值模拟研究水库蓄水运行期抗力体边坡应力、形变场等特征，分析了在水推力作用下复杂岩土体坝肩抗力体的长期稳定性；文献[5]通过开展高地应力围岩三点弯曲蠕变试验，并由改进的西原模型验证蠕变理论曲线与蠕变试验曲线的长期拟合程度，分析竖井工程的长期稳定性；文献[6]采用凝聚力弱化- 摩擦强化模型反应引水隧洞围岩硬脆性岩体的特点，通过分析软件FLAC3D模拟了隧洞岩体的流变力学特性，分析评价了该工程围岩的长期稳定性状态；文献[7]对青藏铁路沿线的代表性砂质黏土和轻质次黏土进行了典型的冻融试验，经过多次冻融循环后，土壤干重密度达到一定值，与土壤类型有关，与土壤的初始干容密度无关；文献[8]冻融循环下的力学性质和钙质砂岩破坏和降解机理的实验研究表明，岩石中冻融破坏的恶化与岩石所处的水化学环境密切相关，从而改变了岩石的力学性质冻融前后的特性；文献[9]通过对岩体结构面的长期剪切蠕变试验的数据分析及模型参数的拟合，将岩体结构面蠕变阶段划分为四个阶段，对于后续软弱结构面的长期稳定性研究提供了前车之鉴。综上所述，国内外目前关于软弱结构面长期稳定性的研究多是集中在饱水和干燥两个方面，这与青藏高原季节性冻土区岩石在冻融循环的反复作用下的情况不能完全符合。

1 三轴压缩蠕变试验

1.1 试验方案。本试验研究主要采用三轴压缩试验，实验仪器为南京土壤仪器厂生产SJ-1C 三轴压缩仪器进行排水不固结测试，试验时制备的试样含水率保证都相同，试样围压保持在150KPa。根据国家冻土重点实验室标准和以往相关试验经验，实验冻结与融化时间均按4h 为准。冻融循环次数分别按照0 次、1 次、2次、3 次、4 次、5 次、6 次、7 次、8 次和9 次考虑。

1.2 试样制备。试样取自拉萨邦铺铂铜多金属矿高边坡地层中的10～20cm厚的黏土状软弱夹层样品。试样基本指标见表1。

表1 试样基本参数

2 实验结果与分析

2.1 冻融循环下软弱夹层的应力应变。在相同含水率的情况下，只考虑在经受9 次冻融循环后试样软弱夹层应力应变关系如图1 所示。

图1 应力——应变曲线图

由应变试验曲线走势可知，在围压为150KPa 的条件下，随着冻融循环次数的增加，应变率整体呈现上升趋势。

2.2 冻融循环下软弱夹层强度。根据实验方案，通过分析软弱夹层在不同冻融循环次数下的三轴压缩试验数据，能够得出相同含水率下软弱夹层剪切位移、黏聚力、内摩擦角和冻融循环次数的关系曲线图，如图2 所示。

图2 压缩位移与冻融循环次数关系曲线

分析表明：试样在相同含水率的情况下，软弱夹层位移量总体上随冻融循环次数的增加而增加。当然，在相同含水率时，冻融循环次数达到一定次数后软弱结构面强度参数减小走势趋向于稳定。

3 改进的西原模型分析及参数拟合

3.1 西原（Nishihara）本构模型。Nishihara 本构模型是由弹性-粘弹性- 粘塑料性三个元素组成的复合模型。如下图3 显示了该模型由弹性体模型、开尔文（Kelvin）粘弹性体模型和粘塑性体模型组成。这三者各自表示了Nishihara 模型的纯弹性，粘弹性和粘度。以上三个应变体的应变量和等于该模型的总应变量。在图中E1 和E2 是弹性体和开尔文模型的弹性模量，η1 和η2 是开尔文模型和粘性塑料性体的粘度系数，σs 是粘性塑料性体和塑料性体的屈服应力。

图3 西原模型

当σ<σs 时，西原模型的压缩蠕变方程为

3.2 改进的西原模型。以西原模型为基础，由于本文考虑到冻融循环的作用，而西原本构模型不满足要求，故引入扰动函数F 来模拟冻融循环对三轴压缩实验的影响，从而推导出改进的西原模型。扰动函数F 用下式表示，即：

式中A、B、C为待定系数，N为试样经受冻融循环的次数。

当σ<σs 时，改进的西原模型压缩蠕变方程为

3.3 改进的西原（Nishihara）模型参数拟合。通过改进的西原模型并利用有限差分软件模拟冻融循环作用下三轴压缩试验的条件，且在相同含水率、相同围压条件下，读入三周压缩试验的数据，对比分析120 小时下受不同冻融循环次数的蠕变试验曲线和蠕变理论曲线、应变实验曲线和应变理论曲线的参数拟合及长期拟合程度。如图4、5 所示。

由图4 和5 在不同冻融循环次数的参数拟合程度可知，改进的西原模型的理论曲线与试验曲线的长期拟合程度达到了90%以上。

图4 蠕变试验曲线与蠕变理论曲线拟合程度

图5 应变试验曲线和应变理论曲线拟合程度

4 结论

通过对高原季节性冻土区软弱结构面的在不同冻融循环次数下三轴压缩试验数据的相关分析，得出以下几点认识：（1）在相同含水率的条件下，得出试样软弱夹层各强度参数随冻融循环次数增加总体上呈现下降趋势，当冻融循环次数达到一定次数后软弱结构面强度参数减小走势趋向于稳定；（2）在含水率相同的条件下，由应变曲线走势可知，随冻融循环次数增加应变率整体呈现上升趋势；（3）在含水率相同的条件下，改进的西原模型在不同冻融循环次数的参数拟合程度和长期拟合程度均达到了90%以上；（4）高原冻土区域岩体中软弱结构面受到冻融作用对其长期稳定性影响巨大，因此找到易发生地质灾害区域的软弱结构面，研究它的物质成分、岩性、成因、类别、分布规律、物理力学性质及其与边坡的空间结构组合关系，为西藏冻土区域的矿山、水电、交通等领域的类似工程的边坡受冻融作用扰动长期稳定性的合理评价提供理论支持，对于保护人民群众的生命财产安全具有重大意义。