凍融作用下露天邊坡巖石物理力學特性研究

杜壽元

（青海鴻鑫礦業(yè)有限公司，青海 格爾木816000）

隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的不斷推進，對礦產(chǎn)資源的需求不斷增加，極大地促進了西部地區(qū)采礦業(yè)的發(fā)展［1］。我國西部屬高寒地區(qū)，在此區(qū)域進行露天采礦時，因為地區(qū)的特殊性［2］，采場邊坡揭露巖體暴露于晝夜循環(huán)、四季更替的環(huán)境下，經(jīng)受劇烈的凍融循環(huán)，其穩(wěn)定性影響因素比常溫地區(qū)更多、更復雜［3］。由于巖石本身就是一種自然損傷材料，凍結后引起水分向凍結帶運動，并在其內(nèi)部形成水、冰、巖的多相損傷介質，巖石中冰體的形成和發(fā)育產(chǎn)生巨大的凍脹力，這種不均勻的凍脹力和凍脹變形對巖體工程穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響［4］。徐光苗等［5］研究了凍融破壞機理，得出巖石基本凍融破壞模式為片落模式和裂紋模式。張淑娟等［6］借助CT技術，研究了青藏高原風火山隧道拱頂和側拱處的砂質泥巖在凍融循環(huán)作用下的損傷擴展特性。劉成禹等［7］選取花崗巖作為試樣進行凍融試驗，得出經(jīng)歷多次凍融循環(huán)后巖石的抗壓強度和彈性模量有不同程度的下降，巖樣中舊的裂隙變寬并產(chǎn)生新的裂隙。

進入融化期，積雪和凍結巖體發(fā)生融化，巖石崩塌容易發(fā)生，這些地區(qū)巖石邊坡主要表現(xiàn)為表層破壞。長期反復的凍結溶解作用使得邊坡穩(wěn)定性降低，結合地形和地下水等條件，也可能誘發(fā)大規(guī)模的邊坡破壞［8］。因此，研究凍融循環(huán)作用下巖石的物理力學特性對寒區(qū)邊坡巖體工程具有重要意義。本文以青海格爾木鴻鑫礦業(yè)公司?？囝^礦區(qū)露天邊坡工程為例，選取礦區(qū)內(nèi)的典型邊坡巖石樣本進行凍融循環(huán)試驗，測定巖石在溫度變化情況下的質量和強度變化特性，為采礦邊坡穩(wěn)定性研究提供基礎數(shù)據(jù)。

1 礦區(qū)概況

?？囝^多金屬礦位于祁漫塔格山北坡，礦區(qū)氣候以高寒、多風少雨、蒸發(fā)強烈、晝夜溫差大為特點，屬高寒、干旱的典型內(nèi)陸性氣候，年平均氣溫－1．5～ －3．8℃，最 高 氣 溫 約 21．2℃，最 低 氣 溫 約－30℃。礦區(qū)年降水量約140mm，降雨集中在5～9月：年蒸發(fā)量為1 660mm。風向暖季多東風，寒季多西風，基本上為東、西風交替，封凍期為每年10月至次年4月。

礦區(qū)出露地層主要有上石炭統(tǒng)締敖蘇組和第四系全新統(tǒng)，上石炭統(tǒng)締敖蘇組為一套淺海相碳酸鹽沉積，地層總體傾向北北東，主要巖性為大理巖、結晶灰?guī)r、生物碎屑灰?guī)r。礦區(qū)工程地質組主要有松散巖土體巖組、堅硬整體結構的花崗巖組、堅硬整體結構的矽卡巖組、堅硬整體結構的鐵多金屬礦石巖組、較堅硬和塊狀結構的碳酸鹽巖組，露天邊坡巖體主要有大理巖、角巖、矽卡巖和花崗巖。

2 試驗內(nèi)容及方法

2．1 巖樣制備

選取礦區(qū)露天邊坡中典型的巖石樣本，巖芯分別為大理巖、角巖、矽卡巖和花崗巖。將4種巖樣按要求加工成直徑5cm、高10cm的圓柱體標準試件。每類巖樣各制作12件，分成4組，共48件，分別用于0、8、16、25次的不同循環(huán)次數(shù)的凍融試驗。

試驗所需巖樣系從現(xiàn)場鉆孔內(nèi)取得的新鮮巖芯，再制成標準巖樣，巖性均一，巖石完整性好。本次所取巖芯開展凍融試驗前，均按照試樣加工要求，加工成高徑比2︰1的試樣，滿足試驗要求。

2．2 試驗儀器及方法選擇

試驗使用的儀器設備主要有WEP－600微機控制屏顯萬能試驗機、0～－40℃低溫試驗箱、水槽、JA31002型電子天平（天平最大稱量3kg，感量10mg）、烘箱、飽水器等。

巖石的凍融試驗是指巖石在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復降溫、凍結、升溫、融解，凍融試驗有直接凍融和間接凍融兩種，此次采用直接凍融法中的快凍法作為本次試驗的方法，凍融循環(huán)次數(shù)分別為8、16、25次。

2．3 試驗步驟

1）清除巖石試件表面的塵土和顆粒，所有試件根據(jù)巖性和凍融循環(huán)次數(shù)進行編號。

2）巖石試件預先進行干燥、吸水、飽和處理，將所有試件放置于漏水塑料筐內(nèi)，并將塑料筐放入水槽中浸泡48h以上，水槽中的水面須高于試件高度，使其吸水飽和，然后取出試件擦干表面水分并稱質量。

3）每組巖性取出3件飽和試件進行凍融前的單軸抗壓強度試驗，并記錄飽和狀態(tài)下試件的單軸抗壓強度值。

4）將剩余36件試件放入漏水塑料筐內(nèi)，一起放入低溫試驗箱中，在－20±2℃溫度下冷凍4h，然后取出塑料筐，放入水槽進行解凍，水槽中水可浸沒試件，水溫應保持在20±2℃，融解4h，即為一個循環(huán)，每種巖性取3件巖樣分批次進行8、16、25次凍融循環(huán)。

5）每次凍融循環(huán)過程中，詳細檢查各試件的破壞情況，觀察其是否有掉塊、裂縫等現(xiàn)象，并做好記錄，凍融結束后，進行一次全面檢查，并詳細記錄。

6）凍融結束并檢查完畢后，從水中取出巖石試件，擦干表面水分并稱重，然后進行單軸抗壓強度試驗，并記錄好單軸抗壓強度值。

3 測試結果分析

3．1 凍融巖樣外觀特征

凍融試驗過程中，對所有巖樣進行觀察，巖樣在凍融后沒有發(fā)生破碎，巖石表面也未開裂，無碎粒脫落現(xiàn)象。但在個別樣品中，有些裂縫略微張開，凍融試驗后的巖樣如圖1所示，從外觀來看，4種巖樣的抗凍性較好。

3．2 質量變化分析

凍融試驗后得到的凍融質量損失率及其變化如表1所示?？梢缘贸?，在凍融后飽水角巖、飽水花崗巖和飽水矽卡巖的質量基本不變或小幅下降，飽水下降率均在0．03%以下，且飽水角巖下降率較小，在0．01%以下；而飽水大理巖質量下降率較高，最大達到0．06%。由于在整個凍融過程中，所有巖樣并未發(fā)生巖石破裂和碎塊剝落等現(xiàn)象，可認為巖樣中固體物質的損失并非是巖樣凍融后質量損失的主要原因。因此，凍融過程中巖樣內(nèi)部水分的損失是其主要原因。因此，凍融作用會導致巖樣質量有微小的損失，但影響較小。

圖1 巖樣25次凍融試驗后外觀Fig．1 Appearance of rock samples after 25－times freezing－thawing test

表1 不同凍融循環(huán)次數(shù)后質量損失率統(tǒng)計Table 1 Statistical chart of mass loss rate after freezing－thawing tests

3．3 強度變化分析

凍融試驗前后各巖樣的飽水抗壓強度均值及其對應強度損失率如表2所示。可以看出，巖樣在凍融過程中，其抗壓強度有不同程度的下降，其中，大理巖、角巖和花崗巖在各個凍融循環(huán)試驗后的抗壓強度均比試驗前的強度降低偏多。在凍融過程中四種巖石的抗壓強度變化規(guī)律基本類似，8次后降低幅度最大，而16次和25次循環(huán)后強度保持相對穩(wěn)定。因此，巖樣在凍融初期其微觀結構變化較大，凍融作用對巖石造成的損傷較大，而凍融后期其對巖石造成的損傷相對較小?？梢哉J為，在凍融循環(huán)過程中，隨著溫度的降低，巖石內(nèi)部的孔隙水在凍結時體積發(fā)生膨脹，而巖石中的礦物顆粒受到這種膨脹作用后，礦物顆粒之間會產(chǎn)生局部的凍脹力，從而導致了巖石內(nèi)部節(jié)理裂隙的變化，內(nèi)部水分遷移。經(jīng)過較少次數(shù)的凍融循環(huán)，巖體結構受到的擾動所能引起的極限狀態(tài)，后續(xù)的凍融對于進一步擾動有限。經(jīng)過凍融循環(huán)后，矽卡巖的強度損失相對其他三種巖石較小，抗凍性更強。

3．4 抗凍系數(shù)分析

巖石抵抗凍融破壞的性能稱為巖石的抗凍性，巖石抗凍性常用抗凍系數(shù)作為直接定量指標?？箖鱿禂?shù)是指巖石在±25℃的溫度區(qū)間內(nèi)，反復降溫、凍結、升溫、融解，其抗壓強度有所下降。一般而言，是指飽和試件在－20～20℃溫度下反復凍融25次后其抗壓強度變化值與融凍試驗前的抗壓強度之比的百分數(shù)［11］。凍融及單軸抗壓強度試驗后計算各階段凍融系數(shù)，如表3所示。從表中可看出，4種巖樣在經(jīng)過多次凍融循環(huán)作用后，其抗凍系數(shù)均大于0．7，其中，矽卡巖的抗凍性較好，抗凍系數(shù)最低為0．88，角巖和花崗巖的抗凍性較差?？傮w而言，巖石在凍融作用后抗凍系數(shù)變低，凍融作用對礦區(qū)各種巖石抗凍性影響相當，礦區(qū)巖體抗凍性較強。

表2 不同凍融循環(huán)次數(shù)后樣品均值飽和強度及強度損失率統(tǒng)計Table 2 Average saturation strengths and strength loss rates of rock samples after freezing－thawing tests

表3 巖樣抗凍系數(shù)試驗統(tǒng)計Table 3 Coefficient of frost－resistance of different rock samples

4 結論

通過對青海牛苦頭礦區(qū)露天邊坡大理巖、角巖、矽卡巖和花崗巖進行凍融循環(huán)試驗，分析可得出以下結論：

1）凍融循環(huán)作用對巖石質量的影響極小，強度較低的大理巖質量損失率較大，巖石內(nèi)部的裂隙水是引起巖石質量變化的主要因素。

2）凍融循環(huán)作用對巖石抗壓強度的影響比其對巖石質量的影響更大，經(jīng)過不同程度的凍融循環(huán)，4種巖樣的抗壓強度都有不同程度的降低。巖樣在凍融初期其微觀結構變化較大，凍融作用對巖石造成的損傷較大，而凍融后期其對巖石造成的損傷相對較有限。

3）巖樣在凍融作用后抗凍系數(shù)變低，凍融作用對礦區(qū)各種巖石抗凍性影響相當，礦區(qū)巖體抗凍性較強。

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