露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析_王晓东.pdf

第 46 卷 第 3 期 煤田地质与勘探 Vol. 46 No.3 2018 年 6 月 COAL GEOLOGY Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG 2012XAYCX020 第一作者简介 王晓东， 1981 年生， 男， 山西屯留人， 博士， 副研究员， 从事矿山地质灾害防治技术研究工作. E-mail wangxiaodong 引用格式 王晓东，徐拴海，许刚刚，等. 露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析[J]. 煤田地质与勘探，2018，463104–112. WANG Xiaodong，XU Shuanhai，XU Ganggang，et al. Medium characteristics and stability of frozen rock soil slope in open-pit coal mine[J]. Coal Geology 2. State Key Laboratory of Frozen Soil Engineering, Northwest Institute of Eco-environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China Abstract In order to scientifically uate frozen rock slope stability and keep slope safe with suitable technology in open-pit coal mine, and the changing law of physical and mechanical parameters are analyzed. The results show that the mechanical parameters increase while the rock is frozen, but the rock strength decreases after freezing and thawing cycles. Because rock mass has double properties of material and structure, damage of material and structure of rock mass is significant during freezing and thawing cycles, and freezing and thawing cycles is a key factor of slope stabil- ity. Based on the survey of slopes in Juhugeng coal mining area, and due to difference of slope strata, slope presents several stable and failure s. Uniting generalized H-B failure criteria and strength damage law of rock block and rock structural plane during freezing-thawing cycles, the damage law of rock mass could be calculated, and it is an important theoretic foundation to analyze rock slope stability in freezing and thawing environment. Keywords ice-filled fractured rock; freezing-thawing damage; slope stability; thermo-mechanical coupling 随着矿产资源的开发和基础设施的建设，人们 的工业活动已逐渐延伸至高海拔多年冻土区域，人 类工业活动与冻土区域特征的耦合，产生了新的科 学和工程问题，例如地层环境变化、边坡稳定性变 化及温度变化导致地表与地层水变化等。在高海拔 多年冻土区煤炭资源的露天开采，便遇到高大冻结 岩土边坡的稳定性分析问题。目前国内外现行规范 还没有涉及含冰裂隙岩质边坡稳定性方面内容[1-2]， 当前研究多集中于冻结或冻融循环条件下岩石损伤 特征研究[3-4]，特别是立足理论研究和细观尺度[5-7]， 考虑冻胀融缩作用与裂隙扩展的相互影响，最终拓 展至冻融作用对岩体裂隙网络发展的影响领域，是 应着眼的工作。目前，含冰量高、融深范围大、裂 隙发育、结构复杂的含冰裂隙冻岩边坡失稳规律研 ChaoXing 第 3 期 王晓东等 露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析 105 究鲜有报道，另外，在水冰环境条件变化的情况下， 边坡稳定性演化规律及研究方法已经异于普通露采 矿山边坡。 当前研究表明， 冻结岩土体边坡失稳是由于冻土 岩被人工揭露后，温度场变化导致的应力场、水分 场、变形场变化的结果[8-9]。究其本质原因，细观上 是冻结与融化态中岩土介质性质的巨大差异[10-11]， 宏 观上是岩土体局部场变化的结构效应[12-13]。在寒区 大型露天煤矿冻土岩质边坡开挖过程中，已经发 现地层处于冻结态时几乎可以直立开挖，之后随着 气温的变化便会发生不同类型的边坡灾害问题，表 明冻结岩土边坡破坏失稳是含冰岩土体在地层开挖 外露后的热融侵蚀、水分流失、冻融劣化和应力重 分布而导致的多场动态耦合作用下的复杂灾变过 程。本文依据学者的既有研究成果，系统阐释岩石 和岩体在冻结与融化环境中的性态变化规律，结合 对青海聚乎更矿区多年冻土区露天煤矿冻岩土边 坡赋存特征的调查，分析在冻融循环影响下的边坡 稳定性规律。 1 冻结岩石的物理与力学特征 岩石体为孔隙和裂隙介质，冻结岩石由岩石 基质和孔隙或裂隙冰共同组成特殊的冰岩系统，因 此冻结岩石是一种特殊的岩土介质。由于冻结岩石 的含冰特征，导致冻结岩石物理力学性质随着冰体 消融和冻结而发生着显著的变化，因此冻结岩石具 有强烈的水分和温度敏感性。 1.1 岩石冻融试验条件与方案 以小体积的岩块为研究对象，学者在实验室 内进行了多种试验，测试了冻结岩石分别在冻结 与融化态下的孔隙率[14]、波速[15]、导热系数[16] 等物理参数，以及抗压强度[17-18]、抗剪强度[19]等 强度参数。另外，有学者通过微观手段研究了经 历冻融循环后岩石微裂纹萌生和扩展的现象[20]。 冻结与融化条件下，岩石多种试验的条件与方案 如表 1 所示。 表 1 岩块冻结与融化态物理与力学特征试验条件与方案 Table 1 Experiment conditions and schemes for test of physical and mechanical charachteristics of rock in freezing and thawing environment 试样特征 环境条件 序号 测试参数 岩性 尺寸/mm 含水率冻结温度/℃冻结时间/h 融化温度/℃ 融化时间/h 冻融次数/次 备注 1 孔隙率 花岗岩 Φ50100 饱和–40 4 20 4 070 文献[14] 2 波速 砂岩 Φ50100 饱和–20 20 040 文献[15] 3 导热系数 砂岩 Φ50100 非饱和–10 10 文献[16] 4 饱和含水率 砂岩 Φ50100 饱和–25 8 25 8 0120 本文 5 三轴抗压强度 页岩 Φ50100 饱和–10/–15 20 文献[17] 6 单轴抗压强度 砂岩/灰岩/斑岩Φ50100 饱和–20 12 20 12 030 文献[18] 7 抗剪强度 千枚岩 909090 饱和–30 4 20 4 050 文献[19] 8 内黏聚力 砂岩 Φ50100 饱和–25 8 25 8 0120 本文 9 点荷载强度 泥岩 非饱和 032 本文 10 微裂纹扩展 花岗岩 Φ50100 饱和–36.5 4 20 4 20 文献[20] 1.2 冻融条件下的岩石物理与力学性态 岩石在经历冻融循环过程或处于冻结或融化态 下的物理力学特征如图 1图 3 所示，由图中可以看 出，一是岩石处于不同温度条件下的物理力学参数存 在明显差异，即在岩石处于冻结态与融化态相比，冻 结态条件下岩石的导热系数、 强度等指标会显著增大， 这是由于冻结态下岩石孔隙和裂隙中的水分冻结成 冰，冰与岩石基质具有较好的粘结性，同时增强了岩 石中固体介质的连续性， 降低了岩石基质–冰组成的冰 岩系统的孔隙率，从而使其导热性和承载能力均有改 善。二是岩石经历不同冻融循环次数后的物理力学状 态发生明显差异，岩石在经历冻融循环后，其孔隙率 增大，承载能力降低，这是因为蕴含于岩石孔隙和裂 隙中的水分冻结成冰后具有 9的体积膨胀，而且在 封闭的孔隙和裂隙内会产生巨大的膨胀力[21]，从而使 岩石裂隙扩展，融化态条件下岩石的孔隙率升高，并 且反复的冻融循环过程加剧了岩石的质量劣化，结果 体现为孔隙率增大而强度降低。 利用细砂岩和粗砂岩在室内进行冻融循环试 验，同样得出了物理力学指标随冻融循环次数变化 的规律。并利用采集自木里聚乎更矿区的岩块在现 场自然环境中进行不同放置天数岩石的点荷载试 验，现场取样点海拔在 4 000 m 以上，日平均气温 –4.0 ℃，在春秋季节一日内会发生零上零下的气温 变化，岩样静置消融冻结循环不同时间后测取点荷 载，现场点荷载试验结果表明融化后点荷载强度降 ChaoXing 106 煤田地质与勘探 第 46 卷 图 1 冻结岩石冻结与融化态的物理参数 Fig.1 Physical parameters of frozen rock in freezing and thawing status 图 2 冻结岩石冻结与融化态的力学参数 Fig.2 Mechanical parameters of frozen rock in freezing and thawing status 图 3 岩石经历冻融循环过程后的细观特征[20] Fig.3 Mesoscopic characteristics of rock after freezing-thawing cycles[20] 至原冻结态岩样的约 1/5，如图 4 所示。由此看来温 度是影响岩石性质的主要因素之一。 2 含冰裂隙岩体的冻融强度特征 含冰裂隙岩体相比冻结岩块具有较强的结构特 征，岩体中裂隙纵横交错网络状分布，裂隙内由碎屑 物和冰体充填，组成特殊的实体冰岩结构系统，由结 构可见，含冰裂隙岩体是非常典型的各项异性和非均 质体。当含冰裂隙岩体处于冻结态时，几乎可以开挖 形成直立冻岩边坡，当岩体处于融化态后会有冰融水 流出，并伴随岩块剥落。在排水条件较好区域，水分 会迅速散失，在排水条件较差区域，冰融化后的水分 会蕴含在裂隙中，气温的零上零下反复变化将使排水 不畅或补水条件较好区域岩体质量逐渐劣化。 2.1 裂隙岩体冻融强度的模拟试验 岩体中含有尺寸较大的宏观裂隙，尚不能利用 试验方法研究大尺度的岩体冻结与融化规律。学者 们利用在岩石中或者模拟岩石材料中制造显著的人 工裂隙来表征岩体的结构特征，研究了冻结与融化 条件下的裂隙扩展规律，以及模拟岩体的冻融损伤 特征，获得了有意义的试验和理论成果[22-23]。 利用水泥砂浆模拟岩体基质，在岩体基质中不 同特征的预制节理裂隙中充填石膏模拟节理裂隙充 填物，从而综合表征岩体的结构特征[24]。该项研究 ChaoXing 第 3 期 王晓东等 露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析 107 图 4 岩石冻融循环试验物理力学参数变化试验结果 Fig.4 Results of the change of physical and mechanical parameters of in freezing-thawing cycle test 中比较全面的地研究了模拟岩体中节理裂隙特征对 岩体冻融损伤的影响规律，节理裂隙特征包括节理 倾角、节理贯通度、节理厚度、节理组数、节理充 填物、节理岩体饱和度、节理岩体冻融循环次数等 方面。图 5 和图 6 分别展示了模拟岩体的节理裂隙 组数和倾角在岩体冻融循环对岩体强度的影响。 图 5 裂隙数量对岩石冻融损伤的影响[24] Fig.5 Influence of fracture number on freezing-thawing damage of rocks 图 6 冻融循环条件下节理特征对岩石抗压强度的影响[24] Fig.6 Influence of joint characteristics on compressive strength of rocks under freezing-thawing cycles[24] 由图 5 和图 6 可以看出， 随着节理组数的增加， 冻融循环造成的损伤逐渐加剧，表面剥蚀严重，而 且岩体强度也在逐渐降低，从而证明了岩体节理裂 隙在岩体抗冻融侵蚀中的消极作用。而且节理与主 应力方向的夹角对岩石强度影响也较为明显，即主 应力在抗节理裂隙两侧岩体滑动方向分力越大，该 节理裂隙倾角的岩体强度越高，因此节理裂隙的特 征对岩石试样的力学性质有显著的影响[24]。 2.2 裂隙岩体冻融强度的理论方法 岩体具有 2 种属性，一是介质属性，二是结构 属性，但在特殊环境中，其仍有第三个关联属性， 即环境属性，例如处于冻融循环的特殊环境中。因 此在分析岩体的强度特征方面，不仅要考虑岩石的 强度参数，而且要将岩体的结构特性作为一个重要 ChaoXing 108 煤田地质与勘探 第 46 卷 因素，同时要考虑环境因素。E. Hoek 和 E. T. Brown 通过对大量的岩块三轴试验资料和岩石现场 试验成果的统计分析，于 2002 年提出了广义 Hoek-Brown 非线性经验破坏强度准则[25]， 该准则得 到了较广泛的应用，即 3 13cb c a ms σ σσσ σ ■■ ■■ ■■ 1 式中 bi GSI 100 exp 28 14 mm D - - （） 2 GSI 100 exp 93 s D - - （） 3 11GSI20 [expexp] 26153 a ---（）（） 4 式中 1 σ、 3 σ为岩体破坏时的最大和最小主应力， MPa； c σ为完整岩块的单轴抗压强度，MPa；mb、s、 a 为岩体的材料参数，mb、s 与岩体特性有关，a 与 岩石完整程度有关；GSI 为岩体的地质强度指标；D 为开挖爆破震动和开挖卸荷对岩体的扰动程度；mi 为完整岩块的 Hoek-Brown 常数。 但 Hoek-Brown 强度准则与环境温度因素无关， 其主要应用于常规环境。对该强度准则进行适当扩 展和改进，加入在温度反复变化条件下边坡水分及 岩石强度变化等因素，可应用在高海拔区露天煤矿 冻结岩石边坡整体强度特征上。 在上述原始公式中， 参数中体现了节理裂隙对岩体强度的影响，但尚未 包含冻融循环对岩体强度特征的作用结果。考虑冻 融循环对岩体的作用规律，该过程影响了岩石的强 度和岩体的节理裂隙分布，表征 2 个物理量的参数 是随着冻融进展而改变的可变参数。边坡中爆破是 一次扰动，而冻融循环为重复多次扰动。因此，可 用冻融扰动系数 Dn取代爆破扰动系数 D。 在前期研 究中通过试验和理论分析，已获得了 Rcn随着冻融 循环变化的定量关系[26] cc0 1 n n RR K 5 式中 Rc0、Rcn分别为饱和完整岩块的初始和经历 n 次冻融循环后的抗压强度，MPa；Kn为微裂隙扩展 因子，与初始孔隙率和冻融循环次数等相关的参 数； 式5中表述的为确定的岩石的饱和小尺度岩块 在冻融循环过程中强度的定量变化， 而岩体包含宏 观节理裂隙，在式2式4中 GSI 是描述岩体节 理裂隙的变量，因此在冻融环境中，排水条件较差 情况下， 岩体的节理裂隙也随着冻融过程而发生扩 展，即 0 GSIGSI nm K 6 2 1 1 n n D K - 7 式中 GSI0、 GSIn分别为岩体的初始和经历 n 次冻融 循环后的地质强度指标；Km为宏观裂隙扩展因子， 与节理裂隙率和冻融循环次数等相关的参数；Dn为 冻融扰动系数，具体推导过程见文献[26]。 则 Hoek-Brown 强度准则中的参数在考虑冻融 循环影响的条件下可写为 0 bi GSI100 exp 28 14 m n n K mm D - - （） 8 0 GSI100 exp 93 m n n K s D - - （） 9 0 GSI1120 [expexp] 26153 m n K a ---（）（） 10 式中 mbn、sn、an为岩体经历 n 次冻融循环后的 Hoek-Brown 强度准则参数。 综合式1、式5式10便可计算出岩体在冻 融环境中的强度变化规律，在上述公式中，岩体的 宏观裂隙扩展因子 Km为一待求量， 需要通过进一步 的研究确定。 3 冻结岩土体边坡及其稳定性特征 3.1 矿区地质条件 据木里煤田聚乎更矿区四井田的勘探报告[27] 和设计报告[28]可知，聚乎更矿区位于大通河流域沉 积盆地的上游，是处于祁连期构造运动形成的中祁 连褶皱隆起带西段。侏罗系含煤沉积则发育于中祁 连与南祁连两构造单元间构造弱化带的坳陷区段， 含煤沉积盆地受构造控制基本被限制在狭长带状， 且形成以具有一定方向排列的、断续的中、小型规 模为主的剥蚀型沉积盆地类型分布态势图 7。由 此，矿区构造呈现为一系列北西西向为主体展布的 紧密褶皱和推覆逆冲断裂组合特征。 工作区四井田位于聚乎更矿区南向斜的西段， 总体构造形态为一倾向南西的单斜构造，倾角浅部 较陡约为 3040，向深部逐渐变缓为 520。0 线 附近为一组同沉积反冲断层将四井田切割为地貌及 水文地质单元不同的 2 个自然井田东井田和西井 田。井田地层顺序由下至上为三叠系上统尕日德 组、侏罗系中统木里组、第四系。含煤地层侏罗系 中统木里组出露较全面，最大埋深小于 120 m，自 下至上由一套连续沉积的湖冲积相旋回组合，可划 分为砂岩段、下含煤段、上含煤段、泥岩段 4 个层 段。井田内第四系地层广泛分布，覆盖于各时代地 ChaoXing 第 3 期 王晓东等 露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析 109 层之上，其地层上部为地表腐植土及草甸覆盖层， 下部为冰碛、坡积成的褐色、白灰色的含砾、卵石 及砂的黏土、冰积砾石层，最厚可达 34.6 m，一般 厚为 67 m。 图 7 木里煤田聚乎更矿区构造纲要图[29] Fig.7 Tectonic outline of Juhugeng mining area in Muri coalfield[29] 3.2 冻岩露天矿边坡岩体特征 由多年冻土区地层温度监测可见图 8a，露天 矿的边坡在开挖形成后，边坡岩体的性质会发生一 定的变化图 8b，如原处于永冻层的地层，经开挖 后成为边坡的表层，从而转换为了季冻层；如原处 于不冻层的地层，经开挖后在边坡表层的岩体也转 化为了季冻层。 季冻层岩土体的性态随着大气环境温 度变化剧烈， 而处于季冻层以下的永冻层和不冻层基 本不受大气环境温度的变化影响， 因此多年冻土区边 坡的表层岩体的性态变化决定着边坡的稳定性。 图 8 地层温度及采场边坡地层状态示意图 Fig.8 Ground temperatures and status of slope strata of open pit 冻结裂隙岩质边坡，由于边坡浅表部岩体随着 温度场变化而发生着较显著的应力场、 渗流场变化， 岩体性质始终处于动态演化过程中，结合第 1 节和 第 2 节中关于岩石和模拟岩体冻融环境中的物理力 学特征变化分析，综合可得含冰裂隙岩体变化具有 如下特点 a. 含冰裂隙岩体的强度由岩块强度和结构面 胶结特征共同决定 岩块与节理裂隙共同组成了具 有结构特性的岩体，含冰裂隙岩体是一种特殊的岩 体，冰蕴含于岩石的微裂隙及结构面中，冰的消融 与冻结影响着岩块的强度和节理裂隙的胶结强度， 且反复的消融与冻结过程会导致岩体融化态或冻结 态强度的降低，以及节理裂隙的扩展和节理裂隙结 构强度的降低， 从而影响含冰裂隙岩体的整体强度。 b. 含冰裂隙岩体边坡稳定性受温度场变化影 响 含冰裂隙岩体是一类温度敏感类介质， 高海拔多 年冻土区露天矿坑开挖使冻结岩石暴露于大气环境 中，受气温影响频繁。在经历 1 次冻结至融化的过 程中，含冰裂隙岩体边坡坡面上一定深度的大节理 裂隙冰消融为液态水，在排水条件好的条件下迅速 向矿坑排泄，使坡体表面综合含水率降低。而蕴含 于小裂隙或排水条件不好的区域的冰融水，排泄受 阻，因此会随着气温变化而呈现反复的冻融过程。 冻结融化过程是含冰裂隙岩体整体强度变化的过 ChaoXing 110 煤田地质与勘探 第 46 卷 程，边坡稳定性也随之发生改变。 c. 含冰裂隙岩体边坡的水分场始终处于动态 变化过程中 含冰裂隙岩体边坡的水分场与边坡稳 定性密切相关，在排水条件不畅情况下，水分场变 化为周期性，排水条件较好的条件下，水分场变化 是单向性的。水分场变化是温度场变化的伴生物， 水分的相态是温度变化的直接产物，其直接影响着 岩块和结构面强度。 3.3 冻岩露天矿边坡特征 露天煤矿一般占地范围在几至数十平方公里， 因此其涉及的地表形态种类较多。另外，由于矿坑 边坡切割多层不同组成和性质的地层。矿坑在纵向 地层深度和横向矿坑范围上均存在一定的差异， 最终形成了多种不同类型的边坡，在自身属性和外 营力的作用下，多种边坡自稳和失稳形态存在较大 差异。矿坑边坡主要特征如表 2 所示。 表 2 露天煤矿采场含冰岩土层边坡类型及其特征 Table 2 Slope type and characteristics of ice-bearing slope in open-pit coal mine 边坡类型 概化图边坡剖面和立面图 实景图 特征 失稳类型 逆层 岩质 边坡 地层为岩层，分布 广泛，主要存在于 永冻层。主层理与 坡 面 角 度在 4590 该类边坡为最常见边坡，边坡相对较稳定，少 有大面积垮落坍塌。若存在软弱夹层，会出现 差异冻融风化问题，以坡面下部岩石随冻融而 崩塌、中上部局部突出最为常见，通常为局部 边坡稳定性问题 顺层 岩质 边坡 地层为岩层，主要 存在于永冻层。主 层理 与坡 面角 度 在045 顺层边坡开挖初始，受爆破震动扰动和表面风 化影响，岩层发育较多垂直于主层理的次生裂 隙，裂隙在外营力的作用下逐渐贯通成网，而 水分的加入和反复的冻融加剧了裂隙发展的进 程，使层状岩体层间呈块、片状脱落并滑塌。 同时也存在规模较大的岩块滑动，岩层间甚至 可见清晰的滑落擦痕，此类边坡失稳较为常见 切层 岩质 边坡 地层为岩层，主要 存在于永冻层。地 层 倾 角 在 45 90，主层理与坡 面角度在4590 由于地层倾角较大和原始地层水平节理发育的 原因，处于永冻层的该类边坡受冻融影响明显， 表面季冻层的含冰岩层随消融，或大块岩石逐 渐劣化为小块体后滑落，或大块直接倾倒，一 般滑落体量较小，部分断裂面看见冰体 破碎 地层 岩质 边坡 地层 节理 裂隙 发 育，地层较破碎， 主要 存在 于永 冻 层 由于多组原生节理裂隙的切割作用，地层非常 破碎。处于永冻层的该类边坡，季冻层发育较 深，容易受到冻结与融化过程的影响，表层剥 蚀严重，呈现出凹凸不平的状态，边坡的整体 和局部稳定性均较差 松散 地层 边坡 地层主要为第四系 坡积物、冲洪积砂 砾石冻结层，富水 性强，为永冻层之 上的季节性冻层 该类边坡主要在近地表地层中，蓄水能力强， 富水较多，但强度较差。边坡为季冻层边坡， 受气温影响剧烈，消融水流失过程中伴随着松 散介质流失。若地表草甸较厚，会发生下部冻 融掏蚀，上部顶盖滑塌的灾害 木里聚乎更矿区原始地层结构面发育，加之 在矿坑开挖过程中的爆破扰动，体现出采场边坡 较为破碎。矿坑边坡在设计过程中充分考虑了地 层的特性，调查中没有发现大规模的滑坡或潜在 滑动面。由表 2 中的调查和分析可见，气温变化 作为周期性变化的一个诱导因素，影响着边坡岩 体中水分水分场或相态的周期或单向性变化， 控 制或影响着边坡的局部稳定性由上节分析可见 为季冻层。因此，在温度和水分影响下的采场边 坡灾害多为边坡表层季冻层局部和小型的剥落 或滑塌，边坡在冻融影响下的总体破坏模式为冻 融剥蚀的渐进式破坏。 4 结论与讨论 4.1 结 论 a. 在高海拔多年冻土地区进行资源的露天开 采，形成了介质为冻结岩土体的特殊边坡，岩土体 性质及边坡稳定性与水分和温度变化密切相关。 b. 岩石处于冻结态时，孔隙裂隙中的水分由液 态转变为固态，增强了岩石基质间的粘结力，降低 了岩石的孔隙率，使岩石的强度指标升高，而融化 态使冰岩间的由冻结产生的附加粘结力丧失，岩石 ChaoXing 第 3 期 王晓东等 露天煤矿冻结岩土边坡介质特征与稳定性分析 111 性态发生一定改变。 c. 在冻融循环条件下，岩石微裂隙内水分固液 两态的反复变化，使岩石内部的微裂隙逐渐扩展且 增多增大，即岩石孔隙率逐渐增大，从而降低岩石 的密实度和完整性，导致岩石强度不断降低。 d. 岩体具有介质和结构属性，冻融循环作用下饱 水岩石体，会发生微裂隙和结构面扩展，从而使岩块 和结构面的强度降低。 在广义的 Hoek-Brown 破坏强度 准则基础上，根据冻融循环规律修正其岩块抗压强度 及扰动系数，可以描述冻融作用下的岩体强度变化。 e. 高海拔多年冻土区露天矿坑对地层的深切 割而形成了多种类型边坡，主要有逆层岩质边坡、 顺层岩质边坡、切层岩质边坡、破碎地层岩质边坡、 松散地层边坡等 5 类，各类边坡在冻融循环条件下 的稳定性规律各不相同，但发育的边坡灾害多为浅 层的、渐进性的局部失稳。 4.2 讨 论 高海拔多年冻土区的岩土地层冻胀融沉特征是 该区工程建设的一个重要考虑因素，常常会因措施 不当产生不同的建构筑物失稳问题，造成严重的工 程危害。 在高海拔多年冻土区进行的露天煤矿开采， 其面临的冻岩边坡问题，应是一个含冰裂隙岩体在 地层开挖后的反复热侵蚀和应力重分布而导致的水– 热–力动态耦合作用下的复杂灾变问题。 冰–岩复合介质的强度热融和冻融衰减是裂隙冻 岩边坡的最大特点， 边坡地层节理裂隙间胶结冰解冻 造成的强度丧失， 及融水渗流与反复冻结融化造成的 岩块及岩体结构面损伤同是关键关注点。 如何科学评 价冻结岩石边坡的稳定性， 以及如何采用工程措施保 证露天矿山安全建设和运营， 是目前高海拔多年冻土 区岩石力学研究领域的一个重要课题。 融化与冻融循环作用下冻结岩石边坡稳定性问 题主要涉及含冰裂隙岩的热传导特性、热力耦合本 构模型两大核心，冻结岩层的季节性冻融深度、热 传导特性、冻融循环过程岩石强度劣化、消融过程 岩体强度计算及边坡稳定性评价更是工程设计上需 要解决的问题，尤其是融化与冻融循环作用影响冰 岩体系的力学机制，时长与尺度因素对冻结地层融 化引起的冻岩边坡失稳的影响机制，消融和冻融循 环作用下冰岩复合体的强度损伤过程和参数，是亟 待回答的 3 个核心问题。因而，结合岩体力学和热 力学理论，通过典型试验与现场监测反演分析等综 合方法，以裂隙冻岩热学与力学特征参数随温度与 水分两场变化的规律为基础，建立裂隙冻岩水热力 动态耦合本构模型，揭示融化和冻融循环作用下裂 隙冻岩强度衰减机理，是冻结岩石研究的另一个思 路，可为高海拔多年冻土区冻结地层边坡设计和稳 定性分析提供科学依据。 本文阐述了小尺度岩块与大尺度岩体模拟冻 融环境中的性态变化规律，分析了冻融环境中岩体 会发生一定的损伤，以及热融与冻结态岩石具有不 同的力学特征。且根据现场调查总结分析了多年冻 土区露天煤矿边坡在冻融环境中破坏的基本模式， 但边坡的破坏是与岩体质量逐渐退化直接相关的， 文中并没有给出岩体质量劣化与边坡稳定性之间的 定量关系，更深入的工作将在后续逐渐开展。另外， 理论推导的岩体冻融环境中的 Hoek-Brown 强度准 则还有待进一步扩展和完善。 参考文献 [1] SL3862007 水利水电工程边坡设计规范[S]. 北京中国水 利水电出版社，2007. 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