寒区冻融作用下岩石力学特性及致灾机制研究——以四川藏区主要公路为例

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四川境内汶(川)马(尔康)速、雅(安)康(定)高速及G318康定-竹巴笼段、G317马尔康-德格段等路段是内地通往西藏、青海地区的交通要道。区内地质环境复杂,构造活动强烈,线路通过高山峡谷、山间盆地等多个地貌单元。且大部处于高海拔高寒山区,强烈的寒冻风化作用导致公路沿线地质灾害频发。本文通过深入的现场调查,系统研究了公路沿线地质灾害的分布特征及发育规律,结合裂隙岩体低温应变试验、冻融循环试验和力学试验、声发射监测及理论计算研究高寒山区边坡岩体致灾机制。本文主要研究成果如下:  (1)研究区内的地质环境及地质灾害的分布发育特征  收集研究区的地质环境资料,在详细了解区内地质环境的基础上深入调查研究区内的地质灾害,调查统计结果表明:崩塌是公路沿线主要的地质灾害形式,分布发育规律主要受气候条件、地震烈度、地形地貌、地层岩性、岩体结构的影响。高海拔地区由于强烈的寒冻风化作用,崩塌以剥蚀型、滑移型为主。  (2)裂隙岩体冻融变形的影响因素及特征  影响裂隙岩体冻融变形破坏的因素主要为岩性条件、结构面条件、含水量及温度条件。最主要因素是含水量。通过冻融应变试验得出不同裂隙参数及不同含水状态的岩体一个冻融周期内的应变曲线存在差异,裂缝未充水岩体在冻结过程中没有冻胀现象。裂隙岩样经过多次冻融循环作用后会产生明显的残余微应变且试验发现经过多次冷冻-回温重复后,残余微应变有累计增大的趋势。  (3)冻融岩石的物理力学变化特征  ①物理特征:处于干燥、饱和状态的岩样通过不同循环次数的冻融循环试验表明:试样没有明显的宏观破坏迹象,岩体表面裂隙有微笑扩展。冻融作用引起的质量、波速变化幅度都较小。  ②力学特征:岩性不同,单轴压缩条件下试样破坏的形态不同,千枚岩属于软岩,以沿千枚理发生的劈裂破坏为主,而砂岩则以剪切破坏为主;不同含水状态的岩样随着冻融循环次数的增加,其单轴抗压强度均成减小趋势。千枚岩的强度衰减基本呈线性。根据试样初始强度与冻融循环后强度分析计算其强度损失率,由计算结果可知:随冻融循环次数的增加,试样单轴抗压强度损失率整体呈增大趋势,并且,经历相同次数的冻融循环作用后,饱和岩样的强度衰减幅度明显大于干燥试样的衰减幅度。  ③声发射特性:不同冻融循环次数试样在单轴压缩条件下声发射信号有明显的区别:未经过冻融循环试验的岩样在破坏前声发射次数最少,且声发射信号较弱,随着冻融循环次数的增加,在单轴压缩时岩样在破坏前的声发射次数逐渐增多。这是由于在冻融循环过程中岩体内部出现了微裂隙,并且在反复冻融循环的作用下,岩体内部裂隙得到扩展,在单轴压缩的初始阶段即微裂隙的闭合出发了更多的声发射信号。  (4)在现有的冻胀力计算方法上,结合一定的假定条件,推导出适合高寒区裂隙岩体结构面的冻胀力的计算公式,考虑研究区实际工程情况,将其引入滑移式危岩稳定性系数计算式中进行修正。  (5)通过试验及理论计算可将高寒区边坡岩体致灾机制归纳如下:①边坡表层岩石由于孔隙水及岩石矿物不同的热力学特性导致二者在温差的作用下表现处不同的变形特征,从而使得边坡表层岩石在冻融-大温差的耦合作用下产生微裂隙,反复作用下,岩体表层逐渐碎裂化,并剥落。②冻胀力的存在增大了边坡危岩的下滑力,同时反复的冻融循环劣化了岩石与结构面的强度参数,减小了岩体的抗剪强度。以上两种方式相互影响,削弱了危岩体的稳定性,最终在重力等的作用下诱发崩塌地质灾害。
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