張宏剛

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司 工程地質(zhì)研究所，西安 710077；2.西安理工大學(xué) 巖土工程研究所，西安 710043；3.中國科學(xué)院西北生態(tài)資源環(huán)境研究院 凍土工程國家重點實驗室，蘭州 730000)

青海木里煤田地處青藏高原東北部，屬于祁連山多年凍土大區(qū)，近年來隨著該地區(qū)煤炭資源的高效、規(guī)?；_采，形成了大量的露天采坑。復(fù)雜的凍土地質(zhì)環(huán)境，使露天礦高陡邊坡出現(xiàn)了大量因凍融而產(chǎn)生的破壞問題，嚴重威脅木里煤田露天礦安全高效開采，使邊坡管控工作的難度空前增加。通過對木里煤田地溫長期監(jiān)測，表明該地區(qū)多年凍土下限在45～61.5 m，季節(jié)性凍土厚度在5～6 m[1-2]。凍融環(huán)境成為影響木里地區(qū)露天煤礦邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵影響因素，而控制邊坡穩(wěn)定的關(guān)鍵是認識和控制軟弱夾層。

文獻[3]在大量試驗研究以及總結(jié)前人研究成果基礎(chǔ)上，全面分析研究了物質(zhì)組成、組構(gòu)特征、粒度成分、含水率和地應(yīng)力等主要因素對軟弱夾層抗剪強度的影響；文獻[4]通過對葛洲壩工程大江軟弱夾層研究，提出軟弱夾層微結(jié)構(gòu)的一些類型,得出了軟弱夾層的擾剪強度隨著其微結(jié)構(gòu)的不同而變化；文獻[5]以金沙江某水電站壩址軟弱夾層為例，研究了地應(yīng)力與軟弱層帶物理力學(xué)參數(shù)的關(guān)系，得出地應(yīng)力是控制軟弱層帶工程特性最活躍的因素；文獻[6]討論了凍融循環(huán)對石灰粉土剪切強度特性的影響，得出反復(fù)凍結(jié)和融化強烈影響著石灰土的強度特性；文獻[7]對青藏鐵路沿線具有代表性的砂質(zhì)黏土和輕亞黏土進行了室內(nèi)凍融試驗研究，得出經(jīng)過多次凍融循環(huán)以后土體的干容重趨于某一定值，該定值與土體初始干容重?zé)o關(guān)而與土體的種類有關(guān)；文獻[8]對凍融循環(huán)下鈣質(zhì)砂巖力學(xué)特性及其損傷劣化機制進行試驗研究，得出巖石的凍融損傷劣化與其所處的水化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)；凍融前后的力學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，反復(fù)凍融使土力學(xué)性質(zhì)改變的主要原因是改變了土的結(jié)構(gòu)性，也就是破壞了土顆粒間的聯(lián)結(jié)力同時使土顆粒得以重新排列[9-10]，因此，可以說凍融循環(huán)可以從多方面改變土的工程性狀。綜上所述，國內(nèi)外關(guān)于軟弱夾層試驗研究多是對其基本性質(zhì)、顆粒結(jié)構(gòu)等方面的認識且多集中在水利、交通等行業(yè)，而對于露天煤礦領(lǐng)域，尤其是對高海拔多年凍土區(qū)煤系地層內(nèi)賦存的軟弱夾層凍融特性研究鮮有報道。因此，開展高海拔多年凍土區(qū)露天煤礦軟弱夾層凍融特性試驗研究很有實踐意義，為木里地區(qū)邊坡穩(wěn)定性精細研究提供技術(shù)依據(jù)。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

圖1為木里地區(qū)凍土分布情況。由于研究區(qū)軟弱夾層賦存層數(shù)多且厚度小(多在15～20 cm)，很難采回原狀軟弱夾層樣品，故本次試驗只能根據(jù)軟弱夾層天然物理指標對樣品采用重塑法制樣。

圖1 木里地區(qū)凍土分布剖面圖Fig.1 Profile of frozen soil distribution in Muli area

試樣直徑?為39.1 mm，高度為80 mm。樣品初始物理參數(shù)為：天然含水率為7.87%，天然密度為1.65 g·cm-3，干密度為1.54 g·cm-3。軟弱夾層顆粒分析如圖2 所示。

1.2 試驗方案

結(jié)合項目特點與工程實際，軟弱夾層凍融特性試驗研究主要采用壓縮試驗。本試驗采用南京電力自動化設(shè)備廠生產(chǎn)的SJ-1C三軸剪力儀進行不固結(jié)不排水測試，試驗時試樣圍壓分別按100 kPa，200 kPa，300 kPa分級施加。增濕條件設(shè)計成6級含水率，分別為7.87%，10.87%，13.87%,16.87%，19.87%，22.87%。

圖2 軟弱夾層粒徑分布曲線圖Fig.2 Curve of particle size distribution of weak interlayer

根據(jù)長期地溫與氣溫監(jiān)測與凍土工程國家重點實驗室經(jīng)驗，試驗凍結(jié)與融化時間均按4 h考慮。凍融循環(huán)次數(shù)分別按0次、1次、3次、5次、7次和9次考慮。

1.3 試驗方法

試驗剪切速度設(shè)為0.276 mm·min-1，啟動電動機，合上離合器，開始試驗。試樣每產(chǎn)生0.2 mm變形量，測力計和百分表記錄一次數(shù)據(jù)，當(dāng)測力計讀數(shù)出現(xiàn)峰值時，剪切進行到軸向應(yīng)變?yōu)?5%時，認為試驗結(jié)束。加載過程中記錄量力環(huán)讀數(shù)，計算主應(yīng)力差。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 增濕條件下軟弱夾層強度

軟弱夾層三軸壓縮試驗表明：隨含水量的增加，黏聚力與內(nèi)摩擦角總體呈下降趨勢，當(dāng)水分增加至第5級至第6級時，黏聚力與內(nèi)摩擦角大小增加幅度開始變緩并趨向定值，試驗曲線如圖3～4所示。含水率由初始8.78%增加至22.87%時，黏聚力由81 kPa衰減至36 kPa；內(nèi)摩擦角由36°衰減至20.7°；彈性模量由5.34 MPa衰減至2.85 MPa；泊松比由0.153增大至0.403。通過試驗數(shù)據(jù)回歸分析，黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量與含水率均呈冪函數(shù)關(guān)系，泊松比與含水率呈類線性關(guān)系，產(chǎn)生該規(guī)律主要原因是隨含水率的增加，軟弱夾層內(nèi)部結(jié)構(gòu)漸進損傷與解體，顆粒之間連接不斷損傷破壞，隨著應(yīng)力的不斷增加，最終試樣破壞。

含水率與黏聚力關(guān)系為

c=423.56w-0.796

(1)

式中：c為黏聚力；w為含水率。

含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系為

φ=106.01w-0.522

(2)

其中φ為內(nèi)摩擦角。

含水率與彈性模量關(guān)系為

E=20.795w-0.626

(3)

其中E為彈性模量。

圖3 軟弱夾層黏聚力、摩擦角與含水率關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between cohesion,friction angle and moisture content of weak interlayer

圖4 軟弱夾層彈性模量、泊松比與含水率關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between elastic modulus,Poisson’s ratio and moisture content of weak interlayer

2.2 增濕條件下軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變

軟弱夾層不同含水率下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線如圖5～10所示，試驗曲線表明軟弱夾層在三軸壓縮條件下，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均呈應(yīng)變硬化型，隨著含水率的增加，不同圍壓下的主應(yīng)力差整體呈正相關(guān)降低，同時當(dāng)含水率從初始的7.87%增加至22.87%時，不同圍壓所對應(yīng)的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變整體呈下降趨勢，主應(yīng)力差降低幅度較接近，同時，可將該過程的應(yīng)力應(yīng)變變化分為類彈性變形階段、彈塑性屈服階段和塑性破壞3個階段。

圖5 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變曲線(w=7.87%)Fig.5 Stress-strain curves of weak interlayer (w=7.87%)

圖6 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變曲線(w=10.87%)Fig.6 Stress and strain curves of weak interlayer(w=10.87%)

圖7 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變曲線(w=13.87%)Fig.7 Stress-strain curves of weak interlayer (w=13.87%)

圖8 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變曲線(w=16.87%)Fig.8 Stress-strain curves of weak interlayer (w=16.87%)

圖9 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變曲線(w=19.87%)Fig.9 Stress-strain curves of weak interlayer (w=19.87%)

圖10 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變曲線(w=22.87%)Fig.10 Stress-strain curves of weak interlayer (w=22.87%)

2.3 凍融循環(huán)下軟弱夾層的應(yīng)力應(yīng)變

軟弱夾層在不同凍融循環(huán)下應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖11～16所示(受篇幅限制，本文僅示出經(jīng)受9次凍融循環(huán)后的曲線圖)，試驗曲線表明軟弱夾層在三軸壓縮條件下，應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系同樣呈應(yīng)變硬化型，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，不同圍壓所對應(yīng)的主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變整體呈下降趨勢，主應(yīng)力差降低幅度較接近，但其降低幅度明顯較未凍融時大，應(yīng)力應(yīng)變變化仍可分為類彈性變形階段、彈塑性屈服階段和塑性破壞3個階段，但該過程類彈性變形階段明顯較未凍融時縮短。

圖11 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(w=7.87%,n=9)Fig.11 Stress-strain relationship curves of weak interlayer

圖12 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(w=10.87%,n=9)Fig.12 Stress-strain relationship curve of weak interlayer

圖13 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(w=13.87%,n=9)Fig.13 Stress-strain relationship curves of weak interlayer

圖14 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(w=16.87%,n=9)Fig.14 Stress-strain relationship curves of weak interlayer

圖15 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(w=19.87%,n=9)Fig.15 Stress-strain relationship curves of weak interlayer

圖16 軟弱夾層應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(w=22.87%,n=9)Fig.16 Stress-strain relationship curves of weak interlayer

2.4 凍融循環(huán)下軟弱夾層強度

根據(jù)軟弱夾層在不同凍融循環(huán)次數(shù)下的三軸試驗分析，通過試驗數(shù)據(jù)分析，可得出在不同含水率下黏聚力、內(nèi)摩擦角、彈性模量和泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)的關(guān)系曲線圖，如圖17～20所示。

通過回歸分析，凍融循環(huán)次數(shù)與黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和彈性模量E關(guān)系為

圖17 黏聚力與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.17 Relationship between cohesion and freeze-thaw cycle times

圖18 內(nèi)摩擦角與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.18 Relationship between internal friction angle and number of freeze-thaw cycles

c=Ace-Bcn

(4)

φ=Aφe-Bφn

(5)

E=AEe-BEn

(6)

式中：Ac,Aφ,AE,Bc,Bφ,BE分別為與軟弱夾層三軸壓縮試驗有關(guān)的系數(shù)；n為凍融循環(huán)次數(shù)。

圖19 彈性模量與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.19 Relationship between elastic modulus and number of freeze-thaw cycles

圖20 泊松比與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.20 Relationship between Poisson’s ratio and freeze-thaw cycle times

分析表明：在一定的含水率下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量總體呈明顯下降趨勢，黏聚力降低的幅度明顯大于內(nèi)摩擦角，其次是彈性模量，說明黏聚力對凍融次數(shù)的響應(yīng)程度明顯強于內(nèi)摩擦角，內(nèi)摩擦角強于彈性模量；黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ和彈性模量E與凍融循環(huán)次數(shù)n呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系；在一定含水率下，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到一定次數(shù)后軟弱夾層強度衰減趨向穩(wěn)定；泊松比隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加不斷增加，但整體增加幅度較小，普遍在0.3%～1.5%。通過試驗數(shù)據(jù)綜合分析發(fā)現(xiàn)，強度指標隨含水率增加降低的幅度明顯低于隨凍融循環(huán)次數(shù)降低幅度。

3 凍融損傷分析

3.1 原因分析

通過本次試驗研究，并參考前人對黏土巖及泥巖相關(guān)研究思路和成果[11-12]，認為煤礦軟弱夾層的泥化或遇水崩解、碎化均需經(jīng)歷一個宏觀的變形破壞過程，宏觀破壞從本質(zhì)來講，是由于軟弱夾層受到外界作用后其內(nèi)部大量微損傷開始萌生、擴展和連接，使微觀結(jié)構(gòu)的損傷長期累加和不斷演化，進而導(dǎo)致其宏觀力學(xué)性能的劣化乃至破壞；重塑軟弱夾層試樣在制樣前，其宏觀結(jié)構(gòu)雖已遭到不同程度損傷破壞，但其微觀結(jié)構(gòu)尚在，因此隨著含水率的增加，其內(nèi)的黏土礦物不斷水化，使受損的軟弱夾層逐漸形成高含水量的泥化物。隨著微觀結(jié)構(gòu)擾動、損傷的深入與累加，軟弱夾層的微觀結(jié)構(gòu)不斷破壞，出現(xiàn)強度的衰減；隨凍融次數(shù)的增加，凍融作用會進一步加速軟弱夾層的微結(jié)構(gòu)、微孔隙的劣化與破損，軟弱夾層內(nèi)部親水物質(zhì)化學(xué)成分不斷隨含水率與凍融次數(shù)的變化發(fā)生運移，隨著水分與凍融耦合效應(yīng)的逐漸深入，表征出軟弱夾層強度逐漸降低，當(dāng)含水率與凍融次數(shù)增加到一定程度后，其內(nèi)部微細結(jié)構(gòu)破損基本完成，強度趨向定值。

3.2 損傷描述與演化規(guī)律

為表述軟弱夾層受水分與凍融影響效應(yīng)，提出用凍融損傷變量來定量描述該損傷過程。著名力學(xué)家Y.N.Raboninoy在研究金屬的蠕變本構(gòu)方程問題時就建議用損傷因子[13-15]D=1-ψ描述損傷，其中ψ為連續(xù)性因子，其值大小可用軟弱夾層彈性模量變化來表征，表達式為

(7)

圖21 凍融損傷因子與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.21 Relationship between freeze-thaw damage factors and freeze-thaw cycle times

圖22 復(fù)合損傷因子與凍融循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線Fig.22 Relationship between compound damage factors and freeze-thaw cycle times

分析發(fā)現(xiàn)，隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，軟弱夾層的凍融損傷與耦合損傷均呈非線性遞增趨勢，且凍融損傷在整個損傷過程中起主導(dǎo)作用，尤其是當(dāng)含水率達到13.87%之后，凍融損傷的主導(dǎo)作用愈加明顯，因此，可認為木里露天煤礦軟弱夾層損傷是一個雙因素相互耦合的復(fù)合損傷過程，水分是產(chǎn)生凍融損傷的內(nèi)因之一，循環(huán)次數(shù)是加速凍融損傷的外因之一。理論與實踐表明，凍融損傷是一個復(fù)雜的物理化學(xué)過程，僅考慮一種或幾種因素對凍融損傷的影響都有失科學(xué)研究的嚴謹性，本文僅是宏觀方面分析水分與凍融循環(huán)對軟弱夾層帶來的損傷，后續(xù)研究應(yīng)從微觀結(jié)構(gòu)方面探索軟弱夾層凍融損傷。

4 結(jié) 論

通過對多年凍土區(qū)露天煤礦軟弱夾層凍融損傷進行試驗研究，得到結(jié)論為

1)軟弱夾層的黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量隨含水率增加呈明顯下降趨勢且呈冪函數(shù)關(guān)系，泊松比與含水率呈類線性關(guān)系。

2)在一定的含水率下，隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角及彈性模量總體呈明顯下降趨勢，黏聚力降低的幅度明顯大于內(nèi)摩擦角，其次是彈性模量，且該參數(shù)與凍融循環(huán)次數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

3)隨著凍融次數(shù)和含水率的增加，軟弱夾層的凍融損傷與耦合損傷均呈非線性遞增趨勢，凍融損傷在整個損傷過程中起主導(dǎo)作用，尤其是當(dāng)含水率達到13.87%之后，凍融損傷的主導(dǎo)作用愈加明顯。