李書林 張哲華 陳鑫鑫 李天嬌 王辛巖

（西藏大學(xué)，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(dá)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(jì)沉積物的進(jìn)一步開發(fā)。山坡上種植茂密，被腐殖質(zhì)覆蓋，或被霜凍風(fēng)化形成的倒置巖堆覆蓋。在定期凍融，高場(chǎng)應(yīng)力的條件下，礦區(qū)形成了粘結(jié)強(qiáng)度低，粒徑大的礫石土覆蓋層。凍融作用對(duì)西藏邦鋪多金屬露天礦高邊坡的軟弱結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)期強(qiáng)度、黏聚力、內(nèi)摩擦角、應(yīng)力應(yīng)變的影響巨大。

總體而言，文獻(xiàn)[1]在大量黃土特性試驗(yàn)研究以及總結(jié)前人研究成果基礎(chǔ)上，根據(jù)黃土力學(xué)特性、濕陷機(jī)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(zhǎng)期穩(wěn)定性研究；文獻(xiàn)[2]由室內(nèi)的三軸蠕變?cè)囼?yàn)，建立了適用于粉砂巖的冪指數(shù)蠕變模型，通過對(duì)大變形段圍巖變形監(jiān)測(cè)結(jié)果的反演分析，得到了圍巖體的蠕變參數(shù)，并基于此對(duì)引水隧洞軟巖大變形段的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[3]通過對(duì)隧道圍巖- 全風(fēng)化花崗巖的一系列三軸蠕變?cè)囼?yàn)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(zhǎng)期穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[4]通過建立慮蝕變巖體流變特性的黏－彈－塑性三維本構(gòu)模型，再由三維數(shù)值模擬研究水庫(kù)蓄水運(yùn)行期抗力體邊坡應(yīng)力、形變場(chǎng)等特征，分析了在水推力作用下復(fù)雜巖土體壩肩抗力體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[5]通過開展高地應(yīng)力圍巖三點(diǎn)彎曲蠕變?cè)囼?yàn)，并由改進(jìn)的西原模型驗(yàn)證蠕變理論曲線與蠕變?cè)囼?yàn)曲線的長(zhǎng)期擬合程度，分析豎井工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[6]采用凝聚力弱化- 摩擦強(qiáng)化模型反應(yīng)引水隧洞圍巖硬脆性巖體的特點(diǎn)，通過分析軟件FLAC3D模擬了隧洞巖體的流變力學(xué)特性，分析評(píng)價(jià)了該工程圍巖的長(zhǎng)期穩(wěn)定性狀態(tài)；文獻(xiàn)[7]對(duì)青藏鐵路沿線的代表性砂質(zhì)黏土和輕質(zhì)次黏土進(jìn)行了典型的凍融試驗(yàn)，經(jīng)過多次凍融循環(huán)后，土壤干重密度達(dá)到一定值，與土壤類型有關(guān)，與土壤的初始干容密度無關(guān)；文獻(xiàn)[8]凍融循環(huán)下的力學(xué)性質(zhì)和鈣質(zhì)砂巖破壞和降解機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究表明，巖石中凍融破壞的惡化與巖石所處的水化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)，從而改變了巖石的力學(xué)性質(zhì)凍融前后的特性；文獻(xiàn)[9]通過對(duì)巖體結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)期剪切蠕變?cè)囼?yàn)的數(shù)據(jù)分析及模型參數(shù)的擬合，將巖體結(jié)構(gòu)面蠕變階段劃分為四個(gè)階段，對(duì)于后續(xù)軟弱結(jié)構(gòu)面的長(zhǎng)期穩(wěn)定性研究提供了前車之鑒。綜上所述，國(guó)內(nèi)外目前關(guān)于軟弱結(jié)構(gòu)面長(zhǎng)期穩(wěn)定性的研究多是集中在飽水和干燥兩個(gè)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(fù)作用下的情況不能完全符合。

1 三軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)

1.1 試驗(yàn)方案。本試驗(yàn)研究主要采用三軸壓縮試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)儀器為南京土壤儀器廠生產(chǎn)SJ-1C 三軸壓縮儀器進(jìn)行排水不固結(jié)測(cè)試，試驗(yàn)時(shí)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(guó)家凍土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)和以往相關(guān)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)凍結(jié)與融化時(shí)間均按4h 為準(zhǔn)。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(biāo)見表1。

表1 試樣基本參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 凍融循環(huán)下軟弱夾層的應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖1 所示。

圖1 應(yīng)力——應(yīng)變曲線圖

由應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線走勢(shì)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(yīng)變率整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

2.2 凍融循環(huán)下軟弱夾層強(qiáng)度。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(guān)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(guān)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(dāng)然，在相同含水率時(shí)，凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)后軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)減小走勢(shì)趨向于穩(wěn)定。

3 改進(jìn)的西原模型分析及參數(shù)擬合

3.1 西原（Nishihara）本構(gòu)模型。Nishihara 本構(gòu)模型是由彈性-粘彈性- 粘塑料性三個(gè)元素組成的復(fù)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(gè)應(yīng)變體的應(yīng)變量和等于該模型的總應(yīng)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(yīng)力。

圖3 西原模型

當(dāng)σ<σs 時(shí)，西原模型的壓縮蠕變方程為

3.2 改進(jìn)的西原模型。以西原模型為基礎(chǔ)，由于本文考慮到凍融循環(huán)的作用，而西原本構(gòu)模型不滿足要求，故引入擾動(dòng)函數(shù)F 來模擬凍融循環(huán)對(duì)三軸壓縮實(shí)驗(yàn)的影響，從而推導(dǎo)出改進(jìn)的西原模型。擾動(dòng)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(dāng)σ<σs 時(shí)，改進(jìn)的西原模型壓縮蠕變方程為

3.3 改進(jìn)的西原（Nishihara）模型參數(shù)擬合。通過改進(jìn)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(yàn)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(yàn)的數(shù)據(jù)，對(duì)比分析120 小時(shí)下受不同凍融循環(huán)次數(shù)的蠕變?cè)囼?yàn)曲線和蠕變理論曲線、應(yīng)變實(shí)驗(yàn)曲線和應(yīng)變理論曲線的參數(shù)擬合及長(zhǎng)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(jìn)的西原模型的理論曲線與試驗(yàn)曲線的長(zhǎng)期擬合程度達(dá)到了90%以上。

圖4 蠕變?cè)囼?yàn)曲線與蠕變理論曲線擬合程度

圖5 應(yīng)變?cè)囼?yàn)曲線和應(yīng)變理論曲線擬合程度

4 結(jié)論

通過對(duì)高原季節(jié)性凍土區(qū)軟弱結(jié)構(gòu)面的在不同凍融循環(huán)次數(shù)下三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的相關(guān)分析，得出以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：（1）在相同含水率的條件下，得出試樣軟弱夾層各強(qiáng)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(shì)，當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達(dá)到一定次數(shù)后軟弱結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度參數(shù)減小走勢(shì)趨向于穩(wěn)定；（2）在含水率相同的條件下，由應(yīng)變曲線走勢(shì)可知，隨凍融循環(huán)次數(shù)增加應(yīng)變率整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；（3）在含水率相同的條件下，改進(jìn)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(zhǎng)期擬合程度均達(dá)到了90%以上；（4）高原凍土區(qū)域巖體中軟弱結(jié)構(gòu)面受到凍融作用對(duì)其長(zhǎng)期穩(wěn)定性影響巨大，因此找到易發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害區(qū)域的軟弱結(jié)構(gòu)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(xué)性質(zhì)及其與邊坡的空間結(jié)構(gòu)組合關(guān)系，為西藏凍土區(qū)域的礦山、水電、交通等領(lǐng)域的類似工程的邊坡受凍融作用擾動(dòng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性的合理評(píng)價(jià)提供理論支持，對(duì)于保護(hù)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全具有重大意義。