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随着青藏高原地区煤炭资源的快速开发,其特殊的大温差冻融环境是影响该区露天煤矿边坡稳定性的根本原因,其中冻融循环条件下岩石物理力学性质的劣化是造成岩质边坡崩塌和滑坡的关键因素。因此,研究冻融循环条件下岩石的物理力学性质对于寒区露天煤矿岩质边坡的稳定性分析评价和冻融灾害防治具有重要的理论和工程实践指导意义。 本文通过室内试验和理论分析的方法来研究冻融循环作用对粗砂岩和细砂岩物理、力学性质的影响,首先对粗砂岩和细砂岩两种岩样进行不同次数的冻融循环试验,然后分别进行一系列的单轴和三轴压缩试验,得到了冻融循环条件下粗砂岩和细砂岩的物理、力学指标变化规律;再此基础上,建立了冻融循环条件下岩石的强度衰减与冻融循环次数、初始孔隙率之间的关系。论文的主要结论如下: ⑴选取木里露天煤矿边坡钻孔中的细砂岩和粗砂岩两种典型岩石,加工成标准压缩试件(Ф50 mm×100mm),进行开放饱水状态下的冻融循环试验。通过对经历不同冻融循环次数的饱和粗砂岩和细砂岩的物理指标分析可知:随着冻融循环次数的增加,两种岩石的纵波波速呈下降趋势,质量、饱和含水率、孔隙率呈上升趋势。主要原因是由于组成岩石的矿物颗粒的热膨胀系数不同导致的不均匀热胀冷缩、水冰相变产生的原位体积膨胀和冻胀压力势导致的水分迁移。 ⑵通过对经历不同冻融循环次数的饱和粗砂岩和细砂岩的单轴压缩试验分析可知:随着冻融循环次数的增加,两种岩石的单轴抗压强度、弹性模量呈指数形式减小,泊松比变化较小,峰值应力对应的轴向应变增加。对比粗砂岩和细砂岩的冻融系数可发现,粗砂岩的冻融耐久性相对较差。 ⑶通过对经历不同冻融循环次数的饱和粗砂岩和细砂岩的三轴压缩试验分析可知:两种岩石在三轴压缩荷载下的主要破坏形式为剪切破坏,都经历了原生孔隙裂隙的压密闭合阶段、弹性变形阶段、次生孔隙裂隙萌生扩展贯通阶段和峰后破坏阶段;在冻融循环次数一定的条件下,随着围压的增加,岩石的三轴抗压强度、峰值应力对应的轴向应变逐渐增加,表明岩石的破坏逐渐由脆性破坏向塑形破坏转化;在围压相同的情况下,粗砂岩和细砂岩的三轴抗压强度随着冻融循环次数的增加而降低,峰值应力对应的轴向应变逐渐增加。 ⑷通过对经历不同冻融循环次数的饱和粗砂岩和细砂岩的抗剪强度指标分析可得:粗砂岩和细砂岩的粘聚力随着冻融循环次数的增加呈指数形式降低,内摩擦角变化很小,这表明冻融循环作用主要影响粗砂岩和细砂岩的黏结强度,而对岩石的摩擦强度影响相对较小。通过摩尔—库伦准则得到两种岩石的三轴抗压强度与冻融循环次数、围压的关系,并将理论值与试验值进行了对比,验证了公式的合理性。 ⑸在冻融循环条件下,粗砂岩和细砂岩的孔隙率、纵波波速与其单轴抗压强度、弹性模量和粘聚力之间仍然存在相关性。基于刘泉声提出的统一损伤变量理论和M. Mutlutürk提出的衰变函数模型建立了岩石强度衰减与冻融循环次数、初始孔隙率之间的关系。