極限平衡理論下寒區(qū)危巖穩(wěn)定性及關(guān)鍵參數(shù)研究現(xiàn)狀

舒佳軍，李小雙，b，鄧正定*，黃晶柱

（江西理工大學(xué)，a.江西省環(huán)境巖土與工程災(zāi)害控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b.經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，江西 贛州 341000）

寒區(qū)是指非極端天氣下冬季氣溫低于0 °C 或凍融深度在0.3 m 以下的地區(qū)，我國疆域遼闊，寒區(qū)面積約占國土總面積的75%[1-2]。寒區(qū)危巖是位于寒區(qū)的由多組巖體結(jié)構(gòu)面切割并賦存于陡坡上，在荷載作用下處于不穩(wěn)定、欠穩(wěn)定或極限平衡狀態(tài)的巖塊及其組合結(jié)構(gòu)體[3]。寒區(qū)危巖主要?dú)w納為兩類，第一類為位于寒區(qū)自然山體陡坡上，如新疆地區(qū)天山和歐洲阿爾卑斯山體上的危巖；第二類則是由于寒區(qū)工程活動(dòng)而形成的，如因礦山開采、大壩開挖等活動(dòng)形成的巖質(zhì)邊坡上的危巖。近年來，西部礦產(chǎn)資源的開發(fā)[4]使得在寒區(qū)的巖土工程逐漸增加，危巖穩(wěn)定性已成為亟須解決的問題。

賦存于寒區(qū)危巖中的水分在氣溫交替變化中不斷凍結(jié)、融化，反復(fù)的凍結(jié)和融化過程即凍融循環(huán)作用極易引起危巖失穩(wěn)。資料表明危巖失穩(wěn)破壞已是寒區(qū)的主要地質(zhì)災(zāi)害之一，如阿爾卑斯山西部危巖在冬季遭受強(qiáng)烈凍融循環(huán)作用，導(dǎo)致邊坡基巖松軟碎裂進(jìn)而出現(xiàn)凍融滑坡事故[5]；西藏甲瑪金礦由于長期凍融循環(huán)和擾動(dòng)作用引起巖體劣化，導(dǎo)致200 多萬立方米的礦區(qū)出現(xiàn)塌方，造成了巨大的人員和財(cái)產(chǎn)損失[6]。因此，凍融循環(huán)作用下的危巖穩(wěn)定性分析已成為寒區(qū)工程建設(shè)的關(guān)鍵問題，深入開展危巖穩(wěn)定性研究對推動(dòng)巖質(zhì)邊坡治理、防治地質(zhì)災(zāi)害、保證人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有重要意義。目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對凍融循環(huán)作用下的寒區(qū)危巖穩(wěn)定性分析及評價(jià)開展了大量研究，考慮到危巖穩(wěn)定性受多種因素影響，研究方法也相應(yīng)多樣，總體上分為4 類[7]，如表1所列。

表1 危巖穩(wěn)定性分析方法Table 1 Stability analysis method of dangerous rock

地質(zhì)法主要通過對危巖地質(zhì)勘察進(jìn)而分析其穩(wěn)定性，其理論基礎(chǔ)為地質(zhì)演化論、地質(zhì)類比論和巖體結(jié)構(gòu)控制論，該方法只適用于地質(zhì)條件復(fù)雜的各式邊坡、危巖的定性分析。極限法有極限平衡法和極限分析法兩種，二者均對邊坡、危巖潛在破壞面進(jìn)行簡化，定量分析其穩(wěn)定性變化。數(shù)值法是基于微元間的相互影響和作用并反映在宏觀尺度上的計(jì)算機(jī)分析方法，數(shù)值計(jì)算法將危巖破壞行為視為從聯(lián)系變形到非聯(lián)系變形，再到分離的過程，將有限元法等連續(xù)介質(zhì)方法同離散單元法等散體介質(zhì)結(jié)合?？煽啃苑ㄊ强紤]到工程設(shè)計(jì)、施工過程中的不確定因素對危巖穩(wěn)定性的影響，將不同影響因素視為隨機(jī)變量并結(jié)合分布概率函數(shù)模型，基于可靠指標(biāo)和破壞概率對危巖開展分析[8]。上述危巖穩(wěn)定性分析方法各有優(yōu)劣，其中，基于極限平衡理論的分析方法是目前較為成熟且應(yīng)用普遍的計(jì)算方法，該方法主要是在對危巖穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算的基礎(chǔ)上，以力學(xué)分析結(jié)果對其穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)，能更直觀且準(zhǔn)確地分析危巖穩(wěn)定性，具有理論完善、便于計(jì)算、結(jié)果可靠等優(yōu)點(diǎn)[9]，并可顯示出不同計(jì)算參數(shù)的影響作用?？紤]到危巖失穩(wěn)模式的差異性，本文將基于極限平衡理論對不同類型的寒區(qū)危巖穩(wěn)定性及參數(shù)研究現(xiàn)狀展開綜述。

1 極限平衡理論下危巖穩(wěn)定性分析

滑移式危巖失穩(wěn)破壞是指在荷載作用（主要為自重荷載、水平力荷載和凍脹荷載）下，危巖主控面上抗滑力不足以抵抗下滑力，進(jìn)而導(dǎo)致不穩(wěn)定巖塊從母巖滑落[10]，故判斷滑移式危巖是否出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的核心問題是對其主控面上的作用力進(jìn)行求解?；剖轿r計(jì)算模型如圖1 所示。

圖1 滑移式危巖計(jì)算模型Fig.1 Calculation model of sliding unstable rock

圖1 中AB 段為危巖主控面，OA 段為主控面上貫通段，通常為結(jié)構(gòu)面；OB 段為主控面上未貫通段，未貫通段又包含凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)；H 和h 分別為危巖豎直距離和貫通段豎直距離；G 為單位長度危巖所受重力；Q 為單位長度危巖所受水平力；P 為貫通段均布凍脹荷載；β 為危巖體結(jié)構(gòu)面傾角。以抗剪強(qiáng)度作為危巖結(jié)構(gòu)面的抗滑力，以主控面上切向力作為其下滑力[11-13]，可得危巖穩(wěn)定性系數(shù)F 為：

式（1）中：φ 為危巖塊內(nèi)摩擦角；c 和c0分別為凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)巖石黏聚力；S 和L 分別為未貫通段凍結(jié)區(qū)長度和未凍區(qū)長度。

傾倒式危巖失穩(wěn)破壞是指在荷載作用下，危巖主控面上作用力對傾覆點(diǎn)產(chǎn)生的抗傾覆力矩不足以抵抗傾覆力矩，進(jìn)而導(dǎo)致危巖塊從母巖中傾倒的現(xiàn)象[10]。由于傾覆點(diǎn)存在的位置不同，傾倒式危巖分為內(nèi)傾式（危巖重心在傾覆點(diǎn)內(nèi)側(cè)）和外傾式（危巖重心在傾覆點(diǎn)外側(cè)）兩類，但二者在極限平衡理論中的穩(wěn)定性分析原理是一致的，故此處僅闡述內(nèi)傾式危巖，如圖2所示。判斷該類危巖是否出現(xiàn)失穩(wěn)破壞的核心問題是對傾覆點(diǎn)處的傾覆力矩和抗傾覆力矩進(jìn)行求解。

圖2 傾倒式危巖計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of toppling dangerous rock

圖2 中危巖重心位于傾覆點(diǎn)C 點(diǎn)內(nèi)側(cè)，α 為危巖后緣巖石與水平軸線間夾角。由圖2 計(jì)算模型可知，危巖水平力和主控面上凍脹力在傾覆點(diǎn)產(chǎn)生傾覆力矩，而自重力和未貫通段巖石抗拉強(qiáng)度則提供抗傾覆力矩[14-16]，據(jù)此可得傾倒式危巖穩(wěn)定性系數(shù)F 為：

式（2）中：fk和fk0分別為凍結(jié)區(qū)和未凍區(qū)巖石抗拉強(qiáng)度；φ 為危巖傾角與后緣巖體面夾角間差值 （φ=βα）；e 為傾覆點(diǎn)至未凍區(qū)與后緣巖體交點(diǎn)的水平距離；a 和b 分別為危巖重心至傾覆點(diǎn)C 的水平距離和豎直距離。

墜落式危巖由于自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致其失穩(wěn)破壞不止由單一條件控制，墜落式危巖既可由主控面抗滑力低于下滑力而破壞，又可由后緣巖體處抗傾覆力矩低于傾覆力矩而破壞，如圖3 所示，因此判斷墜落式危巖是否被破壞需要綜合比較兩種條件下的穩(wěn)定性系數(shù)[17-18]。

通過比較危巖破壞控制條件可得墜落式危巖穩(wěn)定性系數(shù)F 為：

圖3 墜落式危巖計(jì)算模型Fig.3 Calculation model of falling dangerous rock

式（3）中：δ 為墜落危巖的抗拉力矩計(jì)算參數(shù)，通常依據(jù)破壞面的形態(tài)取值，取值范圍為1/12～1/6，且當(dāng)潛在破壞面為矩形時(shí)取最大值；a0和b0分別為危巖重心至潛在破壞面的水平距離和豎直距離。

2 危巖穩(wěn)定性參數(shù)研究現(xiàn)狀

綜合式（1）、式（2）和式（3）可知，利用極限平衡理論對寒區(qū)危巖穩(wěn)定性開展定量分析的核心問題是主控面上各參數(shù)的影響效果。凍融循環(huán)作用對主控面的影響主要表現(xiàn)在主控面上與巖石物理力學(xué)參數(shù)，前者包括貫通段所受均布凍脹力、未貫通段凍結(jié)深度和未凍深度，后者包括巖石內(nèi)摩擦角、黏聚力和抗拉強(qiáng)度。

2.1 貫通段結(jié)構(gòu)面凍脹力研究

HUANG 等認(rèn)為孔隙水凍結(jié)引起的凍脹壓力是導(dǎo)致巖石破壞的主要原因，為了研究凍融循環(huán)作用下巖石凍脹力的長期特性，提出了一種新的彈塑性模型用于估算凍結(jié)過程和解凍過程中凍脹壓力的發(fā)展趨勢，進(jìn)而得出凍脹壓力隨凍融作用的變化關(guān)系[19]。喬趁等對高寒地區(qū)鎖固段邊坡的3 種不同巖橋角度的巖石開展凍脹力分析，發(fā)現(xiàn)凍脹力的變化過程包括衍生階段、陡升階段、跌落階段、平穩(wěn)階段、融化階段和消散階段，并得出了不同階段下凍脹力的演化曲線[20]。吳永等依托川藏鐵路高寒危巖結(jié)構(gòu)面的裂縫，將其簡化為半空間平面問題，根據(jù)熱彈性理論和相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合，得到了貫通段裂縫間的凍脹力解析解，并發(fā)現(xiàn)危巖所受凍脹力與裂隙冰體初始溫度及溫度上升幅度密切相關(guān)[21]。喬國文等在研究寒區(qū)巖質(zhì)邊坡在凍融條件下的穩(wěn)定性時(shí)，對裂隙水在貫通段產(chǎn)生的凍脹力開展了研究，根據(jù)位移－壓力理論對水施加的剛性約束模擬巖石約束條件，使其在凍結(jié)冰膨脹過程中將膨脹壓力傳遞給液壓油，進(jìn)而測出其凍脹力[22]。劉昊等在探討寒區(qū)裂隙巖體在凍融循環(huán)作用下的凍脹力演化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，每個(gè)凍融循環(huán)過程中凍脹力都經(jīng)歷孕育階段、爆發(fā)階段、跌落回穩(wěn)階段、回升階段和消散階段，并指出出現(xiàn)初始凍脹力峰值時(shí)可作為裂隙巖體凍融損傷最劣階段[23]。胡清義等認(rèn)為在極端冰雪條件下，凍脹力是影響危巖邊坡穩(wěn)定的重要因素，將凍脹力求解視為半無限體表面受均布力的軸對稱問題，引入“等效線彈性系數(shù)”，并基于彈性理論求解法向凍脹力的解析解[24]。趙鵬等利用彈性力學(xué)理論對凍結(jié)的主控面上凍脹力開展研究，通過應(yīng)力平衡和變形協(xié)調(diào)得出了結(jié)構(gòu)面尖端的凍脹力計(jì)算式，發(fā)現(xiàn)影響結(jié)構(gòu)面凍脹力的參數(shù)除危巖的彈性模量和泊松比外，還包括貫通段裂縫張開度、凍結(jié)溫度差和結(jié)構(gòu)面尖端半徑等[25]。張永興等在推導(dǎo)極端冰雪條件下的巖石邊坡傾覆穩(wěn)定系數(shù)表達(dá)式時(shí)給出了貫通段張裂縫對巖壁產(chǎn)生的側(cè)向力計(jì)算式，表明凍脹側(cè)向力與張裂隙深度和裂隙面上冰壓力呈正比關(guān)系[26]。綜上所述，結(jié)構(gòu)面貫通凍脹力分析主要?dú)w納為兩類，分別為基于現(xiàn)場或室內(nèi)的裂隙凍脹試驗(yàn)測得及基于裂隙凍脹理論計(jì)算所得（如體積膨脹理論、靜水壓理論、結(jié)晶壓理論等）。前者適用范圍有一定的局限性，并且僅對相關(guān)工程的試驗(yàn)對象有效；后者在理論上適用范圍廣闊，然而考慮到工程環(huán)境的復(fù)雜性和獨(dú)特性，同樣需要對其進(jìn)行相應(yīng)的修正才能運(yùn)用于計(jì)算。

2.2 未貫通段凍結(jié)深度研究現(xiàn)狀

由于單純對凍巖深度的研究目前還在進(jìn)一步探索中，并且在傳統(tǒng)的凍土凍結(jié)深度計(jì)算中是同時(shí)包括巖石和土壤[27]，故此處對凍結(jié)深度的介紹涵蓋了以上二者。文獻(xiàn)[28]表明，Robert 在分析堅(jiān)硬巖石凍結(jié)深度的計(jì)算方法時(shí)，提出了在非均質(zhì)巖石介質(zhì)中確定凍結(jié)深度的不同因素影響作用，并給出了一種確定巖體凍結(jié)深度的通用算法，該算法指出了凍結(jié)深度評估的主要因素為滲透系數(shù)值、孔隙率、巖石質(zhì)量指標(biāo)值（RQD）和Protodiakonow 巖石壓實(shí)指數(shù)。周元輔等在Nelson 的凍結(jié)深度計(jì)算式和通用的Stephan 經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上進(jìn)行參數(shù)化修正，利用巖石參數(shù)代替土體參數(shù)，得到了通用情況下的巖石凍結(jié)深度解析式[29-30]。劉守花等在對季凍區(qū)基坑凍結(jié)深度研究中考慮熱對流和熱傳導(dǎo)作用的影響，利用Laplace 變換和Laplace 反演推導(dǎo)了基坑凍結(jié)溫度場的解析解，并利用Matlab 求解其變化規(guī)律，結(jié)果表明凍結(jié)深度與低溫持續(xù)時(shí)間和凍結(jié)速率有關(guān)[31]。任景全等在研究季節(jié)凍土深度隨氣候變化的響應(yīng)時(shí)，利用東北地區(qū)的氣象資料對凍結(jié)深度進(jìn)行線性傾向估計(jì)擬合，將凍結(jié)深度同凍結(jié)時(shí)間相聯(lián)系[32]。余宗明綜合2 種土體凍結(jié)深度的經(jīng)驗(yàn)公式，提出了一種與凍結(jié)負(fù)溫和時(shí)間相關(guān)的理想公式，對3 種不同工況下的凍結(jié)深度進(jìn)行比較，得出了理想凍深公式的適用范圍[33]。王澄海等利用我國的凍土資料對比了幾類常用的凍土凍結(jié)深度估算方法，并對估算方法的可靠性進(jìn)行了討論，比較結(jié)果表明，Stephan 估算法所得凍結(jié)深度與實(shí)測數(shù)據(jù)的年變化趨勢基本一致，但數(shù)值偏差較大；Kudryavtsev 估算法所得凍深在變化趨勢與數(shù)值上誤差均較小，但在部分年份結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相差較大；Nelson 估算法在整體上與實(shí)測結(jié)果保持一致，并且不存在突變數(shù)據(jù)，是一種較好反映巖土體凍結(jié)深度的估算式[34]?？梢钥闯?，目前對巖石凍結(jié)深度的計(jì)算依賴經(jīng)驗(yàn)公式，通過對當(dāng)?shù)卮罅繗庀筚Y料進(jìn)行分析，在保證誤差允許范圍內(nèi)得出巖石凍結(jié)深度表達(dá)式。該方法通常能準(zhǔn)確預(yù)測工程所在地的凍結(jié)深度，缺點(diǎn)是無法控制偶然荷載發(fā)生時(shí)的影響。因此，未來對影響凍結(jié)深度的研究可著力于概率分析，通過對不同參數(shù)的影響效果及突發(fā)頻率對原有經(jīng)驗(yàn)公式開展修正。

2.3 巖石力學(xué)性能弱化研究現(xiàn)狀

YANG 等認(rèn)為凍融循環(huán)過程中巖石力學(xué)性能的變化是影響寒區(qū)邊坡工程穩(wěn)定性的關(guān)鍵問題，選取鴨綠江公路邊坡巖石開展凍融循環(huán)蠕變試驗(yàn)，利用數(shù)學(xué)分析軟件First Optimization 對參數(shù)變化識別，結(jié)果表明，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，巖石的彈性模量、抗拉壓強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角及密度均呈下降趨勢[35]。LUO 等在對蒙庫鐵礦巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)考慮到凍融循環(huán)對巖石強(qiáng)度的影響，選取了麻粒巖、角閃麻粒巖、層理麻粒巖及黑云角斜片麻巖的完整巖石開展凍融循環(huán)試驗(yàn)，歷經(jīng)30 次凍融循環(huán)作用后，4 種巖石的抗拉強(qiáng)度都出現(xiàn)不同程度的弱化[36]。JIA 等通過砂巖的凍融循環(huán)監(jiān)測巖樣彈性模量、抗壓和抗拉強(qiáng)度，在17 次凍融循環(huán)后，巖石抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別下降了40%和95%，故凍融循環(huán)作用被認(rèn)為是危巖失穩(wěn)破壞的主要驅(qū)動(dòng)力[37]。LI 等依據(jù)凍融循環(huán)試驗(yàn)所得巖石抗壓強(qiáng)度弱化程度解釋邊坡劣化的機(jī)理，試驗(yàn)結(jié)果表明，巖石平均抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨凍融次數(shù)增加而減小，泊松比則呈先增后減的變化趨勢，并采用Hoke-Brown 準(zhǔn)則計(jì)算凍融循環(huán)前后巖石性能弱化對巖坡安全系數(shù)的影響[38]。聞磊等對西藏地區(qū)玉龍銅礦邊坡的灰?guī)r和石英砂巖進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并對巖石的抗拉強(qiáng)度變化趨勢展開分析，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)下巖石抗拉強(qiáng)度的變化趨勢與孔隙率密切相關(guān)[39]。INCE 等對卡帕多西亞的10 個(gè)火山巖試樣進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，將巖石抗拉強(qiáng)度弱化試驗(yàn)結(jié)果擬合成強(qiáng)度損失統(tǒng)計(jì)模型，該模型可預(yù)測巖石不同凍融循環(huán)次數(shù)下的抗拉強(qiáng)度值，可靠性較高[40]。賈海梁等在研究自然界巖坡的凍融循環(huán)損傷時(shí)，依據(jù)不同凍融周期將“晝夜循環(huán)”和“年度循環(huán)”分別等效為高周疲勞和低周疲勞，利用疲勞損傷力學(xué)將凍融作用的巖石力學(xué)損傷以疲勞損傷的方式表征，得到了巖石的凍融損傷解析解[41]。徐光苗等對自然界紅砂巖和頁巖取樣開展凍融循環(huán)試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明，凍融對巖石的壓縮強(qiáng)度和彈性模量影響顯著，并且由于巖性、礦物成分、孔隙度和含水量等參數(shù)的不同，2 種巖樣的凍融損傷劣化程度差異也十分顯著[42]。郎東明等為探究凍融循環(huán)作用對巖石強(qiáng)度影響的機(jī)理，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)增加，巖石抗壓強(qiáng)度和彈性模量均呈指數(shù)下降，通過損傷等效原理與Weibull 分布建立損傷本構(gòu)模型，較好地描述了凍融循環(huán)作用對巖石變形和破壞特征[43]。張慧梅等針對寒區(qū)工程的凍融受荷巖石巖石，運(yùn)用損傷力學(xué)理論和應(yīng)變等價(jià)原理并考慮巖石細(xì)觀結(jié)構(gòu)的非均勻性，建立凍融受荷損傷模型，通過損傷模型描述巖石細(xì)觀結(jié)果損傷演化，結(jié)果表明，寒區(qū)巖石力學(xué)性能由凍融因子、荷載因子和耦合效應(yīng)所決定[44]。陳松等考慮到寒區(qū)巖石存在宏觀缺陷和細(xì)觀缺陷，認(rèn)為凍融與荷載作用引起細(xì)觀損傷，并在節(jié)理巖體上引起宏觀損傷，基于Lemaitre 應(yīng)變等效性假設(shè)綜合考慮宏細(xì)觀缺陷進(jìn)而推導(dǎo)節(jié)理巖體的復(fù)合損傷模型[45]。文獻(xiàn)[46-47]對凍融循環(huán)作用下的巖石開展了力學(xué)性能弱化有關(guān)實(shí)驗(yàn)，二者試驗(yàn)結(jié)果均表明凍融循環(huán)作用會改變巖石抗剪強(qiáng)度參數(shù)。綜上所述，凍融循環(huán)作用對巖石力學(xué)性能的劣化效果主要通過現(xiàn)場試驗(yàn)開展，由于巖石材料的多樣性和復(fù)雜性，從機(jī)理上解釋其力學(xué)性能劣化仍較為困難，因此無法使用解析解對其進(jìn)行定量分析。近來，利用損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)等方法從唯象角度探究巖石凍融劣化工程逐漸成為趨勢。

3 關(guān)鍵問題及研究趨勢

3.1 關(guān)鍵問題

由式（1）、式（2）和式（3）可知，判斷寒區(qū)危巖穩(wěn)定性的關(guān)鍵是明確各參數(shù)取值，從上述研究來看，對危巖貫通段凍脹力的計(jì)算多是通過理論計(jì)算所得，然而不同學(xué)者對凍脹力計(jì)算的理論基礎(chǔ)和假定條件卻不盡相同，如基于水冰相變體積膨脹引起的凍脹力計(jì)算模型、基于水熱遷移引起的分離壓力（將分離壓力等效為凍脹力）計(jì)算模型、基于熱力學(xué)平衡的凍脹力計(jì)算模型、基于彈塑性力學(xué)的平面力學(xué)計(jì)算模型等[48]。對凍結(jié)深度參數(shù)的獲取通常是依靠經(jīng)驗(yàn)公式或估算式，該類經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)多由氣象資料所提供，不同氣象點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的差異性對凍深影響極為顯著，如常用的Stephan、Kudryavtsev 和Nelson 經(jīng)驗(yàn)公式在計(jì)算青藏高原地區(qū)凍結(jié)深度時(shí)，不同計(jì)算式間最大差值達(dá)到了20%[34]。對凍融循環(huán)作用下巖石力學(xué)性能弱化的研究則主要是通過室內(nèi)試驗(yàn)獲取，以砂巖內(nèi)摩擦角隨凍融循環(huán)次數(shù)變化為例，MU 等[46]開展的凍融試驗(yàn)結(jié)果表明砂巖內(nèi)摩擦角是呈下降趨勢，而WANG 等[47]的試驗(yàn)卻得出砂巖內(nèi)摩擦角不隨凍融循環(huán)次數(shù)而改變。因此如何合理地選取計(jì)算參數(shù)仍是一項(xiàng)亟待解決的關(guān)鍵問題。

3.2 未來研究趨勢

1）深入開展寒區(qū)工程巖石凍結(jié)深度的研究。寒區(qū)凍結(jié)深度的經(jīng)驗(yàn)式或估算式多是以凍土為基礎(chǔ)，相對于土體，巖石強(qiáng)度高、滲透性低、顆粒黏結(jié)強(qiáng)，并且具有孔隙介質(zhì)和裂隙介質(zhì)，影響其凍結(jié)深度的參數(shù)較土體更為復(fù)雜?；诙嘁蛩刂g相互影響及作用的概率分析模型預(yù)測可作為未來研究方向。

2）研究多場多相耦合作用下危巖劣化機(jī)理。巖石內(nèi)部存在裂隙、孔隙等結(jié)構(gòu)，在凍融循環(huán)條件下，內(nèi)部存在溫度場、滲流場和應(yīng)力場，場之間的作用相互耦合導(dǎo)致巖石從單一的顆粒結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為水—冰—巖—屑等多相多組耦合成的組合結(jié)構(gòu)體，分析凍融循環(huán)作用對組合結(jié)構(gòu)體的損傷劣化可揭示危巖破壞機(jī)理。

3）開展斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)等理論的運(yùn)用。凍融循環(huán)持續(xù)作用造成危巖力學(xué)性能不斷弱化和損傷，如在斷裂力學(xué)理論中危巖抗拉強(qiáng)度弱化會引起巖石I型斷裂韌度下降，抗剪強(qiáng)度弱化會引起Ⅱ型斷裂韌度下降，在荷載作用下容易引起I 型或Ⅱ型斷裂，故可將危巖斷裂韌度視為抗力，將其應(yīng)力強(qiáng)度因子視為驅(qū)動(dòng)力，應(yīng)力強(qiáng)度因子與斷裂韌度之比則可定義為危巖穩(wěn)定性系數(shù)。

4 結(jié) 論

1） 針對極限平衡理論下的寒區(qū)危巖穩(wěn)定性分析展開綜述，認(rèn)為凍融循環(huán)對主控面上貫通段巖石和未貫通段巖石的綜合作用是導(dǎo)致寒區(qū)危巖失穩(wěn)的主要誘因。

2） 利用極限平衡理論計(jì)算寒區(qū)危巖穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)鍵是明確各參數(shù)，本文分別在理論研究、原位監(jiān)測、室內(nèi)試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)估算等方面對參數(shù)做了文獻(xiàn)調(diào)研，闡述了當(dāng)下研究中對參數(shù)選取方法的不足之處。

3） 凍結(jié)深度機(jī)理的探究、多場多相耦合作用以及斷裂力學(xué)、損傷力學(xué)理論的應(yīng)用等方向是未來開展寒區(qū)危巖穩(wěn)定性研究的重點(diǎn)，后續(xù)應(yīng)加強(qiáng)上述方向的研究。