冻融循环作用下岩体力学特性及边坡稳定性研究

doi:10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2025.S2.0027

中国安全科学学报 ›› 2025, Vol. 35 ›› Issue (S2): 210-215.doi: 10.16265/j.cnki.issn1003-3033.2025.S2.0027

冻融循环作用下岩体力学特性及边坡稳定性研究

鲁森¹^,²^,³(), 徐帅¹^,^**(), 王顺强⁴, 存森布尔⁵, 王建龙⁶

¹ 东北大学深部金属矿智能开采与装备全国重点实验室, 辽宁沈阳 110819
² 中国安全生产科学研究院, 北京 100012
³ 中安国泰(北京)科技发展有限公司, 北京 102209
⁴ 内蒙古国城实业有限公司, 内蒙古乌兰察布 012300
⁵ 包头市应急综合保障中心, 内蒙古包头 014000
⁶ 扎兰屯市国森矿业有限责任公司, 内蒙古呼伦贝尔 021000

收稿日期:2025-08-21 出版日期:2026-02-04
通信作者:
**徐帅(1981—),男,河南南阳人,博士,教授,主要从事数字矿山和金属矿床地下开采技术方面的应用研究。E-mail:xushuai@mail.neu.edu.cn。
作者简介:
鲁森 (1994—),男,河北邢台人,博士,工程师,主要从事露天边坡稳定性及岩石力学等方面的工作。E-mail:505052339@qq.com。
徐帅教授
王顺强工程师

Mechanical properties of rock mass and slope stability under freeze-thaw cycles

LU Sen¹^,²^,³(), XU Shuai¹^,^**(), WANG Shunqiang⁴, CUN Senbuer⁵, WANG Jianlong⁶

¹ State Key Laboratory of Intelligent Deep Metal Mining and Equipment, Northeastern University, ShenyangLiaoning 110819, China
² China Academy of Safety Science and Technology, Beijing 100012, China
³ Cathay Safety Technology Co., Ltd., Beijing 102209, China
⁴ Inner Mongolia Guocheng Industrial Co., Ltd., Ulanqab Inner Mongolia 012300, China
⁵ Baotou Emergency Comprehensive Support Center, Baotou Inner Mongolia 014000, China
⁶ Zhalantun Guosen Mining Co., Ltd., Hulun Buir Inner Mongolia 021000, China

Received:2025-08-21 Published:2026-02-04

摘要/Abstract

摘要：

为探究冻融循环作用对边坡稳定性的影响,以国内某矿山采场边坡为例,以冻融循环条件下3种岩性和碎石土的物理力学特性演化特性为重点,系统开展岩体常规物理力学参数试验;结合自重、地震力及冻融耦合作用,通过对比7个典型剖面的稳定性,揭示冻融作用对边坡稳定性的影响机制。结果表明:冻融循环会显著增加岩石含水量,并加速其损伤劣化过程。这一劣化机制可以表述为:原生缺陷存在将冰晶形成和冻胀力迁移到缺陷区,作用于缺陷表面的裂纹扩展和贯通。定量分析显示,经历30次冻融循环后,边坡整体稳定性显著降低,7个剖面的稳定系数降幅达18%~27%。

关键词: 冻融循环, 力学特性, 边坡稳定性, 影响机制, 冻融损伤

Abstract:

In order to study the effect of freeze-thaw cycles on slope stability, the conventional physical and mechanical parameter test of rock mass was conducted by taking the slope of a Chinese mine stope as an example, with a focus on the evolution of physical and mechanical properties of three types of lithology and gravel soil under the freeze-thaw cycles. In consideration of the combined actions of self-weight, seismic force, and freeze-thaw cycles, the mechanism by which freeze-thaw cycles affect the slope stability was explored by comparing the stability of seven typical profiles. The results show that the freeze-thaw cycle significantly increases the water content of rock and accelerates the damage and deterioration of rock. The mechanism of deterioration can be described as follows: the presence of pre-existing defects causes the formation of ice crystals and the migration of frost swelling pressure to the defect zones, which then acts on the crack propagation and penetration of the defect surfaces. Quantitative analysis indicates that the overall stability of the slope is significantly reduced, and the stability of seven profiles decreases by 18%-27% after 30 freeze-thaw cycles.

Key words: freeze-thaw cycle, mechanical property, slope stability, influence mechanism, freeze-thaw damage

中图分类号:

X936

鲁森, 徐帅, 王顺强, 存森布尔, 王建龙. 冻融循环作用下岩体力学特性及边坡稳定性研究[J]. 中国安全科学学报, 2025, 35(S2): 210-215.

LU Sen, XU Shuai, WANG Shunqiang, CUN Senbuer, WANG Jianlong. Mechanical properties of rock mass and slope stability under freeze-thaw cycles[J]. China Safety Science Journal, 2025, 35(S2): 210-215.

图/表 16

图1

图2

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图5

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表1

表2

图7

表3

图8

图9

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图11

图12

表4

参考文献 9

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岩石名称	ρ/ (g·cm^-3)	σ_t/MPa	σ_c/MPa		E/GPa		μ		抗剪强度参数
岩石名称	ρ/ (g·cm^-3)	σ_t/MPa	自然	饱和	自然	饱和	自然	饱和	C/MPa	φ/(°)
灰岩	2.74	3.2	60.0	43.6	27.44	23.77	0.26	0.27	13.78	41.63
矽卡岩	2.86	4.6	70.0	53.8	30.00	25.00	0.26	0.27	14.53	44.40
凝灰岩	2.79	5.5	80.0	61.3	42.37	36.20	0.24	0.25	21.64	47.70

岩石种类	含水率/%	密度/ (g·cm^-3)	导热系数/(W·m^-1·K^-1)		比热容/(J·kg^-1·K^-1)
岩石种类	含水率/%	密度/ (g·cm^-3)	20 ℃	-25 ℃	20 ℃	-25 ℃
灰岩	0.04	2.74	3.16	3.19	624	602
矽卡岩	0.02	2.77	2.01	2.04	592	574
凝灰岩	0.13	2.84	3.63	3.65	594	577
碎石土	21.04	1.86	1.38	1.62	765	738

样品编号	干密度/ (g·cm^-3)	初始含水率/ %	冻结温度/ ℃
DW-1	1.55	5.02	-0.43
DW-2	1.53	9.88	-0.37
DW-3	1.54	15.16	-0.31
DW-4	1.52	20.24	-0.24
DW-5	1.56	25.59	-0.19

剖面编号	稳定性系数(自重+地震力/自重+地震力+冻融循环)
剖面编号	Bishop法	Spencer法	Janbu法	平均值	降幅/%
A1	1.983/1.466	2.019/1.459	1.684/1.247	1.895/1.391	26.62
A2	1.862/1.411	1.881/1.442	1.708/1.269	1.817/1.374	24.38
A3	1.813/1.343	1.744/1.308	1.666/1.225	1.741/1.292	25.79
A4	2.913/2.224	2.945/2.354	2.552/2.008	2.803/2.195	21.69
B1	2.266/1.797	2.273/1.861	1.853/1.581	2.131/1.746	18.04
B2	1.948/1.443	1.940/1.448	1.764/1.319	1.884/1.403	25.51
B3	2.351/1.767	2.350/1.771	2.112/1.597	2.271/1.712	24.63

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Mechanical properties of rock mass and slope stability under freeze-thaw cycles

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