寒区库岸边坡岩体冻融劣化及稳定性研究

2019-05-23李亮

水利科技与经济 2019年4期

李亮

(山东省临沂市水利勘测设计院，山东临沂 276800)

1 概述

工程建设中经常遇到岩土体冻融问题，冻融将造成岩土体力学性质发生改变，这是工程建设急需解决的问题，也是困扰工程建设的重大问题。因此，对岩土体进行冻融循环实验，研究其力学特性具有重要意义。

许多专家学者对岩土体进行冻融循环力学实验，研究岩土体的力学特性变化。石长安[1]利用冻融循环研究黄土力学性质的变化；李建华[2]研究冻融循环作用下，路基的沉降特性；孟祥振[3]研究冻融和荷载耦合作用下，岩体的损伤本构模型；刘泽群[4]利用冻融试验，研究黄土的动力演化特性；钱程[5]利用冻融实验，对黑方台地区黄土结构在冻融作用下的结构变化进行研究。常丹等[6]采用常规三轴试验，研究冻融温度、循环系数、围压等条件对粉砂土强度的影响，结果表明7～9次循环后，岩土体强度达到最小值。倪万魁等[7]通过反复冻融和电镜扫描研究洛川黄土的结构和强度变化，结果表明随着冻融次数增加，黄土结构变得疏松，50次后天然胶结完全破坏。肖东辉等[8]通过实验研究冻融次数和黄土孔隙率变化的关系，研究发现随着冻融次数的增多，大孔隙孔隙率先减小后增大，小孔隙孔隙率先增大后减小。

本文在前人研究的基础之上，通过冻融循环力学实验，研究多次冻融循环作用下的岩土强度变化，依据强度参数变化，使用折减后的参数进行边坡稳定性验算。

2 冻融循环实验条件

2.1 实验材料和设备

通过现场对库岸边坡的实地调查，获取边坡的地形地貌、地质构造条件。同时，在现场获取原状样，进行室内冻融循环试验。

2.2 实验方案设计

目前，冻融循环常用的设备为恒温恒湿箱。为了模拟当地的气候条件，在-15℃条件下对样品进行冻结，在15℃条件下对样品进行解冻。冻结时间为24h，消融时间为24h，完成一次冻结—消融即完成一次冻融实验。在进行1、2、4、6、8次冻融循环后，进行三轴试验获取强度变化特征。围压分别为50、100、200和300 kPa。实验过程中，剪切速率控制为0.015 mm/min，设置轴向应变速率为0.012%/min，当轴向应变大于20%时，可停止加载。

3 冻融循环作用下力学特性研究

3.1 应力——应变关系

不同情况下，最大主应力和最小主应力之差和轴向应变的关系见图1。原始试样的应力应变关系曲线变化较为稳定，呈现出较弱的应变软化现象。剪应力与应变的关系为:加载初期，剪应力急剧增大，随着应变的增加剪应力逐渐趋于稳定。冻融循环应力——应变关系曲线呈现出明显的应变软化现象，且围压越小，应变软化现象越明显，应变软化程度越高。随着循环次数增加，岩体强度逐渐降低。在围压相同的情况下，随着冻融循环次数增加，岩体强度逐渐减小。通过拟合分析，获取岩土体偏应力与循环次数的关系曲线(图2)：y=-31.86ln(x)+269.11，其中x为循环次数，y为偏应力。

图1 不同冻融循环次数下试样的偏应力与轴向应变之间的关系曲线

图2 不同冻融循环次数下试样的偏应力与循环次数关系曲线(σ=50 kPa)

3.2 抗剪强度

抗剪强度是岩土体的一个重要力学特性，其大小对岩土体稳定性具有重要的影响作用。试验样品原始C值为64.5 kPa，φ值为24.5°。使用摩尔-库伦准则，对试样的实验结果进行分析，获取黏聚力和内摩擦角在进行冻融循环后的变化特征。通过应力-应变曲线可以看出，样品强度参数(C，φ值)在完成首次实验后产生最大幅度的降低。在应力相同的情况下，进行8次冻融循环后C值降低约31.8%，φ值增大约4.8%(与天然状态数据对比)；岩土样冻融循环次数的增加，C值逐渐减小，φ值逐渐增大，但两者的减小和增大速率逐渐降低。在循环实验环境下，样品强度参数将趋于一个稳定值。可以发现，冻融循环6次后岩土体强度变化趋于稳定。常丹、Yu等[9-10]认为岩土体颗粒间的胶结作用强度决定其内聚力C值，颗粒间的粗糙度决定岩土体的内摩擦角。在冻融循环作用下，岩土体间产生干缩裂隙和冻胀裂隙，导致岩土体颗粒间胶结程度降低，岩土体内聚力明显减小。在冻融循环作用下，颗粒间孔隙减小，颗粒间相互位移的摩阻力增大，这也导致了随着冻融循环的进行，岩土体内摩擦角不断增大。