冻融循环与动态荷载耦合作用下砂岩力学性能劣化机制及边坡稳定性研究

这篇研究通过冻融循环试验、分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击试验和数字图像相关(DIC)技术，系统揭示了高寒矿区砂岩在冻融-动载耦合作用下的动态力学响应规律。研究发现冻融循环次数增加会导致砂岩动态峰值应力(下降42.4%)和动态弹性模量(10.2→5.5 GPa)显著劣化，应变场演化显示裂纹扩展与轴向应变集中区分布直接相关，为高寒矿区岩质边坡的冻胀灾害防治和动态稳定性评估提供了重要理论依据。

　　

1 引言

中国西部高寒地区矿产资源丰富，但冻融侵蚀、地震和采矿扰动等因素导致岩体强度劣化。2013年西藏甲玛矿区滑坡事故（掩埋83人）等案例凸显冻融-动载耦合作用对边坡稳定的威胁。现有研究多聚焦单一冻融或静态荷载，对耦合作用机制认识不足。

2 工程概况

以云南兰坪铅锌矿为研究对象（海拔2475-2885 m），矿区边坡出现多台阶滑坡和平台裂缝。现场调查显示，南边坡砂岩受冻融-降雨耦合作用发生局部滑塌，东边坡泥质砂岩因雨水冲刷形成冲沟，北边坡黑色泥质粉砂岩已风化成砂砾状。

3 物理实验设计

3.1 冻融循环试验

采用50 mm×50 mm砂岩试样，设置-20°C（4 h）/20°C（4 h）的冻融循环条件，进行0-50次循环处理。核磁共振(NMR)前期研究表明，冻融30次后岩石孔隙分形维数呈"V"型变化，连通性显著增强。

3.2 冲击力学试验

使用Φ50 mm SHPB系统，配合75,000帧/秒高速摄像系统。通过真空封泥波形整形器获得半正弦波（上升沿时间约100 μs），试样接触面涂抹凡士林降低摩擦效应。冲击气压0.2 MPa，速度8-10 m/s。

4 试验结果分析

4.1 波形曲线特征

三波平衡验证显示入射波与反射波叠加值≈透射波（误差<5%），符合一维应力波理论。应变率曲线呈现"上升-平台-骤降"三阶段特征，50次冻融后峰值应变增加37.6%。

4.2 应力应变规律

动态应力-应变曲线显示：

1. 线性弹性阶段斜率随冻融次数增加而降低（30次循环后下降26.8%）

2. 峰值应力从218.95 MPa（0次）降至126.04 MPa（50次）

3. 后峰曲线呈现塑性流动、应力突降和应变回弹三种破坏模式

4.3 动态弹性模量

采用50%-100%峰值应力段斜率法计算，动态弹性模量随冻融次数呈线性递减（R²=0.97），拟合公式E_d=10.2-0.1N（N为冻融次数）。

4.4 DIC应变场演化

虚拟应变计监测发现：

1. Y向应变集中带主导裂纹萌生（较X向应变高3-5倍）

2. 裂纹扩展路径与轴向应变集中区分布高度吻合

3. 位移监测点A3-A4间正负值突变证实裂纹存在

5 结论

冻融循环通过加剧砂岩内部损伤累积（孔隙率增加→裂纹扩展→强度劣化），显著降低其动态力学性能。应变场分析表明，动态荷载下裂纹沿最大拉应变区扩展的特征为边坡动力稳定性评估提供了新思路。该成果对高寒矿区边坡工程的冻胀防治和爆破参数优化具有指导价值。