杜寿元

（青海鸿鑫矿业有限公司，青海 格尔木816000）

随着我国西部大开发战略的不断推进，对矿产资源的需求不断增加，极大地促进了西部地区采矿业的发展［1］。我国西部属高寒地区，在此区域进行露天采矿时，因为地区的特殊性［2］，采场边坡揭露岩体暴露于昼夜循环、四季更替的环境下，经受剧烈的冻融循环，其稳定性影响因素比常温地区更多、更复杂［3］。由于岩石本身就是一种自然损伤材料，冻结后引起水分向冻结带运动，并在其内部形成水、冰、岩的多相损伤介质，岩石中冰体的形成和发育产生巨大的冻胀力，这种不均匀的冻胀力和冻胀变形对岩体工程稳定性产生重要影响［4］。徐光苗等［5］研究了冻融破坏机理，得出岩石基本冻融破坏模式为片落模式和裂纹模式。张淑娟等［6］借助CT技术，研究了青藏高原风火山隧道拱顶和侧拱处的砂质泥岩在冻融循环作用下的损伤扩展特性。刘成禹等［7］选取花岗岩作为试样进行冻融试验，得出经历多次冻融循环后岩石的抗压强度和弹性模量有不同程度的下降，岩样中旧的裂隙变宽并产生新的裂隙。

进入融化期，积雪和冻结岩体发生融化，岩石崩塌容易发生，这些地区岩石边坡主要表现为表层破坏。长期反复的冻结溶解作用使得边坡稳定性降低，结合地形和地下水等条件，也可能诱发大规模的边坡破坏［8］。因此，研究冻融循环作用下岩石的物理力学特性对寒区边坡岩体工程具有重要意义。本文以青海格尔木鸿鑫矿业公司牛苦头矿区露天边坡工程为例，选取矿区内的典型边坡岩石样本进行冻融循环试验，测定岩石在温度变化情况下的质量和强度变化特性，为采矿边坡稳定性研究提供基础数据。

1 矿区概况

牛苦头多金属矿位于祁漫塔格山北坡，矿区气候以高寒、多风少雨、蒸发强烈、昼夜温差大为特点，属高寒、干旱的典型内陆性气候，年平均气温－1．5～ －3．8℃，最 高 气 温 约 21．2℃，最 低 气 温 约－30℃。矿区年降水量约140mm，降雨集中在5～9月：年蒸发量为1 660mm。风向暖季多东风，寒季多西风，基本上为东、西风交替，封冻期为每年10月至次年4月。

矿区出露地层主要有上石炭统缔敖苏组和第四系全新统，上石炭统缔敖苏组为一套浅海相碳酸盐沉积，地层总体倾向北北东，主要岩性为大理岩、结晶灰岩、生物碎屑灰岩。矿区工程地质组主要有松散岩土体岩组、坚硬整体结构的花岗岩组、坚硬整体结构的矽卡岩组、坚硬整体结构的铁多金属矿石岩组、较坚硬和块状结构的碳酸盐岩组，露天边坡岩体主要有大理岩、角岩、矽卡岩和花岗岩。

2 试验内容及方法

2．1 岩样制备

选取矿区露天边坡中典型的岩石样本，岩芯分别为大理岩、角岩、矽卡岩和花岗岩。将4种岩样按要求加工成直径5cm、高10cm的圆柱体标准试件。每类岩样各制作12件，分成4组，共48件，分别用于0、8、16、25次的不同循环次数的冻融试验。

试验所需岩样系从现场钻孔内取得的新鲜岩芯，再制成标准岩样，岩性均一，岩石完整性好。本次所取岩芯开展冻融试验前，均按照试样加工要求，加工成高径比2︰1的试样，满足试验要求。

2．2 试验仪器及方法选择

试验使用的仪器设备主要有WEP－600微机控制屏显万能试验机、0～－40℃低温试验箱、水槽、JA31002型电子天平（天平最大称量3kg，感量10mg）、烘箱、饱水器等。

岩石的冻融试验是指岩石在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，冻融试验有直接冻融和间接冻融两种，此次采用直接冻融法中的快冻法作为本次试验的方法，冻融循环次数分别为8、16、25次。

2．3 试验步骤

1）清除岩石试件表面的尘土和颗粒，所有试件根据岩性和冻融循环次数进行编号。

2）岩石试件预先进行干燥、吸水、饱和处理，将所有试件放置于漏水塑料筐内，并将塑料筐放入水槽中浸泡48h以上，水槽中的水面须高于试件高度，使其吸水饱和，然后取出试件擦干表面水分并称质量。

3）每组岩性取出3件饱和试件进行冻融前的单轴抗压强度试验，并记录饱和状态下试件的单轴抗压强度值。

4）将剩余36件试件放入漏水塑料筐内，一起放入低温试验箱中，在－20±2℃温度下冷冻4h，然后取出塑料筐，放入水槽进行解冻，水槽中水可浸没试件，水温应保持在20±2℃，融解4h，即为一个循环，每种岩性取3件岩样分批次进行8、16、25次冻融循环。

5）每次冻融循环过程中，详细检查各试件的破坏情况，观察其是否有掉块、裂缝等现象，并做好记录，冻融结束后，进行一次全面检查，并详细记录。

6）冻融结束并检查完毕后，从水中取出岩石试件，擦干表面水分并称重，然后进行单轴抗压强度试验，并记录好单轴抗压强度值。

3 测试结果分析

3．1 冻融岩样外观特征

冻融试验过程中，对所有岩样进行观察，岩样在冻融后没有发生破碎，岩石表面也未开裂，无碎粒脱落现象。但在个别样品中，有些裂缝略微张开，冻融试验后的岩样如图1所示，从外观来看，4种岩样的抗冻性较好。

3．2 质量变化分析

冻融试验后得到的冻融质量损失率及其变化如表1所示。可以得出，在冻融后饱水角岩、饱水花岗岩和饱水矽卡岩的质量基本不变或小幅下降，饱水下降率均在0．03%以下，且饱水角岩下降率较小，在0．01%以下；而饱水大理岩质量下降率较高，最大达到0．06%。由于在整个冻融过程中，所有岩样并未发生岩石破裂和碎块剥落等现象，可认为岩样中固体物质的损失并非是岩样冻融后质量损失的主要原因。因此，冻融过程中岩样内部水分的损失是其主要原因。因此，冻融作用会导致岩样质量有微小的损失，但影响较小。

图1 岩样25次冻融试验后外观Fig．1 Appearance of rock samples after 25－times freezing－thawing test

表1 不同冻融循环次数后质量损失率统计Table 1 Statistical chart of mass loss rate after freezing－thawing tests

3．3 强度变化分析

冻融试验前后各岩样的饱水抗压强度均值及其对应强度损失率如表2所示。可以看出，岩样在冻融过程中，其抗压强度有不同程度的下降，其中，大理岩、角岩和花岗岩在各个冻融循环试验后的抗压强度均比试验前的强度降低偏多。在冻融过程中四种岩石的抗压强度变化规律基本类似，8次后降低幅度最大，而16次和25次循环后强度保持相对稳定。因此，岩样在冻融初期其微观结构变化较大，冻融作用对岩石造成的损伤较大，而冻融后期其对岩石造成的损伤相对较小。可以认为，在冻融循环过程中，随着温度的降低，岩石内部的孔隙水在冻结时体积发生膨胀，而岩石中的矿物颗粒受到这种膨胀作用后，矿物颗粒之间会产生局部的冻胀力，从而导致了岩石内部节理裂隙的变化，内部水分迁移。经过较少次数的冻融循环，岩体结构受到的扰动所能引起的极限状态，后续的冻融对于进一步扰动有限。经过冻融循环后，矽卡岩的强度损失相对其他三种岩石较小，抗冻性更强。

3．4 抗冻系数分析

岩石抵抗冻融破坏的性能称为岩石的抗冻性，岩石抗冻性常用抗冻系数作为直接定量指标。抗冻系数是指岩石在±25℃的温度区间内，反复降温、冻结、升温、融解，其抗压强度有所下降。一般而言，是指饱和试件在－20～20℃温度下反复冻融25次后其抗压强度变化值与融冻试验前的抗压强度之比的百分数［11］。冻融及单轴抗压强度试验后计算各阶段冻融系数，如表3所示。从表中可看出，4种岩样在经过多次冻融循环作用后，其抗冻系数均大于0．7，其中，矽卡岩的抗冻性较好，抗冻系数最低为0．88，角岩和花岗岩的抗冻性较差。总体而言，岩石在冻融作用后抗冻系数变低，冻融作用对矿区各种岩石抗冻性影响相当，矿区岩体抗冻性较强。

表2 不同冻融循环次数后样品均值饱和强度及强度损失率统计Table 2 Average saturation strengths and strength loss rates of rock samples after freezing－thawing tests

表3 岩样抗冻系数试验统计Table 3 Coefficient of frost－resistance of different rock samples

4 结论

通过对青海牛苦头矿区露天边坡大理岩、角岩、矽卡岩和花岗岩进行冻融循环试验，分析可得出以下结论：

1）冻融循环作用对岩石质量的影响极小，强度较低的大理岩质量损失率较大，岩石内部的裂隙水是引起岩石质量变化的主要因素。

2）冻融循环作用对岩石抗压强度的影响比其对岩石质量的影响更大，经过不同程度的冻融循环，4种岩样的抗压强度都有不同程度的降低。岩样在冻融初期其微观结构变化较大，冻融作用对岩石造成的损伤较大，而冻融后期其对岩石造成的损伤相对较有限。

3）岩样在冻融作用后抗冻系数变低，冻融作用对矿区各种岩石抗冻性影响相当，矿区岩体抗冻性较强。

［1］ 苏 伟．冻融循环对岩石物理力学性质及边坡稳定性影响的研究［D］．长沙：长沙矿山研究院，2012．

［2］ 马富廷，曹忠清．冻土区露天矿边坡稳定性分析［J］．露天采矿技术，2005（4）：9－10．

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［10］ 王军强，陈年和，蒲 琪．再生混凝土强度和耐久性能试验［J］．混凝土，2007（5）：53－56．

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