淺析凍融循環(huán)作用下青藏高原凍土區(qū)軟弱結構面長期穩(wěn)定性

李書林 張哲華 陳鑫鑫 李天嬌 王辛巖

（西藏大學，西藏 拉薩850000）

本文研究的高原凍土的高坡度位于西藏邦普的鉑銅多金屬礦山，距西藏首府拉薩市以西79 公里左右。在邦達普曲中部，山谷被山谷的山坡和山脈所環(huán)繞。在礦區(qū)高坡度上，厚度分布不均勻的松散第四紀沉積物的進一步開發(fā)。山坡上種植茂密，被腐殖質(zhì)覆蓋，或被霜凍風化形成的倒置巖堆覆蓋。在定期凍融，高場應力的條件下，礦區(qū)形成了粘結強度低，粒徑大的礫石土覆蓋層。凍融作用對西藏邦鋪多金屬露天礦高邊坡的軟弱結構面的長期強度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、應力應變的影響巨大。

總體而言，文獻[1]在大量黃土特性試驗研究以及總結前人研究成果基礎上，根據(jù)黃土力學特性、濕陷機理，提出了基于蠕變分析濕陷性黃土隧道基底加固優(yōu)化方案的長期穩(wěn)定性研究；文獻[2]由室內(nèi)的三軸蠕變試驗，建立了適用于粉砂巖的冪指數(shù)蠕變模型，通過對大變形段圍巖變形監(jiān)測結果的反演分析，得到了圍巖體的蠕變參數(shù)，并基于此對引水隧洞軟巖大變形段的長期穩(wěn)定性進行了分析；文獻[3]通過對隧道圍巖- 全風化花崗巖的一系列三軸蠕變試驗研究，建立該巖石的冪指數(shù)蠕變模型嵌入到有限元程序中，分析了隧道的長期穩(wěn)定性；文獻[4]通過建立慮蝕變巖體流變特性的黏－彈－塑性三維本構模型，再由三維數(shù)值模擬研究水庫蓄水運行期抗力體邊坡應力、形變場等特征，分析了在水推力作用下復雜巖土體壩肩抗力體的長期穩(wěn)定性；文獻[5]通過開展高地應力圍巖三點彎曲蠕變試驗，并由改進的西原模型驗證蠕變理論曲線與蠕變試驗曲線的長期擬合程度，分析豎井工程的長期穩(wěn)定性；文獻[6]采用凝聚力弱化- 摩擦強化模型反應引水隧洞圍巖硬脆性巖體的特點，通過分析軟件FLAC3D模擬了隧洞巖體的流變力學特性，分析評價了該工程圍巖的長期穩(wěn)定性狀態(tài)；文獻[7]對青藏鐵路沿線的代表性砂質(zhì)黏土和輕質(zhì)次黏土進行了典型的凍融試驗，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，土壤干重密度達到一定值，與土壤類型有關，與土壤的初始干容密度無關；文獻[8]凍融循環(huán)下的力學性質(zhì)和鈣質(zhì)砂巖破壞和降解機理的實驗研究表明，巖石中凍融破壞的惡化與巖石所處的水化學環(huán)境密切相關，從而改變了巖石的力學性質(zhì)凍融前后的特性；文獻[9]通過對巖體結構面的長期剪切蠕變試驗的數(shù)據(jù)分析及模型參數(shù)的擬合，將巖體結構面蠕變階段劃分為四個階段，對于后續(xù)軟弱結構面的長期穩(wěn)定性研究提供了前車之鑒。綜上所述，國內(nèi)外目前關于軟弱結構面長期穩(wěn)定性的研究多是集中在飽水和干燥兩個方面，這與青藏高原季節(jié)性凍土區(qū)巖石在凍融循環(huán)的反復作用下的情況不能完全符合。

1 三軸壓縮蠕變試驗

1.1 試驗方案。本試驗研究主要采用三軸壓縮試驗，實驗儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)SJ-1C 三軸壓縮儀器進行排水不固結測試，試驗時制備的試樣含水率保證都相同，試樣圍壓保持在150KPa。根據(jù)國家凍土重點實驗室標準和以往相關試驗經(jīng)驗，實驗凍結與融化時間均按4h 為準。凍融循環(huán)次數(shù)分別按照0 次、1 次、2次、3 次、4 次、5 次、6 次、7 次、8 次和9 次考慮。

1.2 試樣制備。試樣取自拉薩邦鋪鉑銅多金屬礦高邊坡地層中的10～20cm厚的黏土狀軟弱夾層樣品。試樣基本指標見表1。

表1 試樣基本參數(shù)

2 實驗結果與分析

2.1 凍融循環(huán)下軟弱夾層的應力應變。在相同含水率的情況下，只考慮在經(jīng)受9 次凍融循環(huán)后試樣軟弱夾層應力應變關系如圖1 所示。

圖1 應力——應變曲線圖

由應變試驗曲線走勢可知，在圍壓為150KPa 的條件下，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，應變率整體呈現(xiàn)上升趨勢。

2.2 凍融循環(huán)下軟弱夾層強度。根據(jù)實驗方案，通過分析軟弱夾層在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)，能夠得出相同含水率下軟弱夾層剪切位移、黏聚力、內(nèi)摩擦角和凍融循環(huán)次數(shù)的關系曲線圖，如圖2 所示。

圖2 壓縮位移與凍融循環(huán)次數(shù)關系曲線

分析表明：試樣在相同含水率的情況下，軟弱夾層位移量總體上隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而增加。當然，在相同含水率時，凍融循環(huán)次數(shù)達到一定次數(shù)后軟弱結構面強度參數(shù)減小走勢趨向于穩(wěn)定。

3 改進的西原模型分析及參數(shù)擬合

3.1 西原（Nishihara）本構模型。Nishihara 本構模型是由彈性-粘彈性- 粘塑料性三個元素組成的復合模型。如下圖3 顯示了該模型由彈性體模型、開爾文（Kelvin）粘彈性體模型和粘塑性體模型組成。這三者各自表示了Nishihara 模型的純彈性，粘彈性和粘度。以上三個應變體的應變量和等于該模型的總應變量。在圖中E1 和E2 是彈性體和開爾文模型的彈性模量，η1 和η2 是開爾文模型和粘性塑料性體的粘度系數(shù)，σs 是粘性塑料性體和塑料性體的屈服應力。

圖3 西原模型

當σ<σs 時，西原模型的壓縮蠕變方程為

3.2 改進的西原模型。以西原模型為基礎，由于本文考慮到凍融循環(huán)的作用，而西原本構模型不滿足要求，故引入擾動函數(shù)F 來模擬凍融循環(huán)對三軸壓縮實驗的影響，從而推導出改進的西原模型。擾動函數(shù)F 用下式表示，即：

式中A、B、C為待定系數(shù)，N為試樣經(jīng)受凍融循環(huán)的次數(shù)。

當σ<σs 時，改進的西原模型壓縮蠕變方程為

3.3 改進的西原（Nishihara）模型參數(shù)擬合。通過改進的西原模型并利用有限差分軟件模擬凍融循環(huán)作用下三軸壓縮試驗的條件，且在相同含水率、相同圍壓條件下，讀入三周壓縮試驗的數(shù)據(jù)，對比分析120 小時下受不同凍融循環(huán)次數(shù)的蠕變試驗曲線和蠕變理論曲線、應變實驗曲線和應變理論曲線的參數(shù)擬合及長期擬合程度。如圖4、5 所示。

由圖4 和5 在不同凍融循環(huán)次數(shù)的參數(shù)擬合程度可知，改進的西原模型的理論曲線與試驗曲線的長期擬合程度達到了90%以上。

圖4 蠕變試驗曲線與蠕變理論曲線擬合程度

圖5 應變試驗曲線和應變理論曲線擬合程度

4 結論

通過對高原季節(jié)性凍土區(qū)軟弱結構面的在不同凍融循環(huán)次數(shù)下三軸壓縮試驗數(shù)據(jù)的相關分析，得出以下幾點認識：（1）在相同含水率的條件下，得出試樣軟弱夾層各強度參數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)增加總體上呈現(xiàn)下降趨勢，當凍融循環(huán)次數(shù)達到一定次數(shù)后軟弱結構面強度參數(shù)減小走勢趨向于穩(wěn)定；（2）在含水率相同的條件下，由應變曲線走勢可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加應變率整體呈現(xiàn)上升趨勢；（3）在含水率相同的條件下，改進的西原模型在不同凍融循環(huán)次數(shù)的參數(shù)擬合程度和長期擬合程度均達到了90%以上；（4）高原凍土區(qū)域巖體中軟弱結構面受到凍融作用對其長期穩(wěn)定性影響巨大，因此找到易發(fā)生地質(zhì)災害區(qū)域的軟弱結構面，研究它的物質(zhì)成分、巖性、成因、類別、分布規(guī)律、物理力學性質(zhì)及其與邊坡的空間結構組合關系，為西藏凍土區(qū)域的礦山、水電、交通等領域的類似工程的邊坡受凍融作用擾動長期穩(wěn)定性的合理評價提供理論支持，對于保護人民群眾的生命財產(chǎn)安全具有重大意義。