木里礦區四井田凍土（巖）物理力學性質的研究

摘 要：凍土因其獨特的工程性質成為所有寒區工程面臨的一大難題，深入研究和解決凍土問題成為了寒區工程的關鍵。凍土（巖）測試主要是獲取巖土體在凍融條件下，巖土體物理力學性質的變化情況，為露天礦在服務年限內安全開采以及相關設計提供依據。該文主要對木里礦區四井田凍土（巖）物理力學性質從力學參數及地溫監測兩方面進行研究，為該露天礦邊坡穩定的研究做基礎。

關鍵詞：木里礦區 高海拔 凍土 物理力學參數 地溫監測

中圖分類號：P641+61 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）01（a）-00-02

四井田屬青藏高原多年凍土區的一部分，凍土是指具有負溫或零溫度并含有冰的土（巖），根據凍土凍結狀態持續時間的長短，可分為多年凍土、隔年凍土和季節凍土三種類型，在多年凍土區的某些地段，因具有特殊的水熱條件而不能發育多年凍土，稱為融區。

凍土因其獨特的工程性質成為所有寒區工程面臨的一大難題，深入研究和解決凍土問題成為了寒區工程的關鍵。而凍土工程是又一個極其復雜的系統工程，需做專門的研究工作，本次僅從有限的工作及已有的相關研究成果、資料和凍土工程實踐對勘察區凍土進行簡單的評述和分析。

1 凍土環境類型及基本特征

1.1凍土環境及類型

四井田位于青海省東北部，為青藏高原的一部分。其地理坐標為：東經99 °28′53″～99 °31′26″，北緯38 °02′04″～38 °03′29″。區內最高海拔4083.20 m；最低海拔3814.30 m。最低氣溫為-34 ℃，最高氣溫19.8 ℃，年平均氣溫為-4.2 ℃～-5.1 ℃，年平均地溫-1.0 ℃～-3.5 ℃。

因此，勘察區凍土類型為低緯度高海拔高原大片多年凍土，連續分布程度70%～80%。

1.2 凍土基本特征

1）季節融化層，由于氣候的季節性冷暖變化，凍土表層常常會在暖季融化形成季節融化層。凍土季節融化深度往往也就是多年凍土的上限[1-3]。

（1）各個地貌單元中，因巖性、含水（冰）量不同，融化深度不同。采區周圍及未遭破壞擾動地帶，融化深度一般0.9～1.5 m；而覆蓋層已被破壞或剝離的基巖處一般2～3 m；河床及流水沖溝達3～5 m，甚至更大；

（2）地形坡向影響著季融層厚度，陽坡地形較之陰坡，融化深度會有所增加，同等條件下，一般增加0.3～0.6 m；

（3）融化時段，每年4月下旬正溫季節開始融化，到9月底至10月中旬達到最大深度，融化速度各月稍有變化，平均0.01 m/d，，9月末開始氣溫下降，進入負溫季節季融層自上而下回凍迅速，到12月初季融層全部凍結。

2）多年凍土層，多年凍土深度一般變化相對穩定，但在地下水活動較強直至貫通的地帶由于地下水在運動過程中產生以及釋放熱量，則變化較大[4]。

在以往勘探資料中提到為平均70 m，但本次地溫測試可知（bk2-4），本區多年凍土深度60 m左右[5]。

2 物理力學性質的研究

2.1 凍土（巖）力學試驗

1）取樣要求，室內試驗分析是獲取巖土特性參數必不可少的手段，而所取巖土樣品的質量直接關系到巖土特性參數的可靠性，巖樣采取時技術要求如下。

（1）每孔不同地層實際層位長度大于0.5 m時，取樣不得少于兩組，巖芯要及時封存與送檢。本工程需要采集的試樣有擾動土樣，原狀巖樣。取土器采用薄壁取土器，巖層用巖芯管取樣；

（2）所有原狀巖土樣，必須保證其天然結構，天然含水量，做到輕拿輕放、避免人為擾動。巖土樣取出后，及時封裝和粘貼標簽，嚴禁曝曬，運輸時輕拿輕放，采取防震和防凍措施；

（3）巖樣試件尺寸，實驗室根據送去的巖樣和試驗測試要求自行制作。

2）取樣，由于現場地層表面草甸覆蓋層相對較厚且大部分處于凍融狀態，所以本次勘察的土工實驗所用土樣只能采取現場擾動土，

本次共取擾動土樣8件，巖樣307件，取樣數量和質量滿足國家現行規范及邊坡穩定性技術要求；

3）力學試驗，凍土（巖）測試主要是獲取巖土體在凍融條件下，巖土體物理力學性質的變化情況，為露天礦在服務年限內安全開采以及相關設計提供依據[6]。由于試驗前巖樣水分散失較嚴重，為使巖樣含水量更接近天然狀態，因此凍土試驗在3次凍融循環時對試樣實施配水，具體見下表。物理力學參數如表1所示。

凍土（巖）試驗結果初步分析：

（1）在凍融循環下，巖石物理性質變化不大，和天然狀態下基本持平；

（2）隨著凍融循環次數的增加，巖石強度下降非常明顯。單軸抗壓強度，第1組從50.19 mPa降至最小值1.53 mPa；第2組從67.58 mPa降至最小值12.1 mPa，強度損失率在39～97%，且以泥質砂巖損失最為嚴重，細砂巖次之。凍融試驗表明勘查區巖體在凍融循環影響下強度損失嚴重，尤其在含水量較高狀態下（強度損失率分別為97%、82.1%）。反之含水量較低時，凍融循環對巖體強度影響相對較小（強度損失率分別為39%、63.7%）。該規律產生的主要原因是：含水量在一定程度時，隨著凍融循環次數的增加，裂隙巖體中各結構面接觸處的水分逐漸增加，脹裂和愈合不斷交替出現，當循環達到一定次數后，巖體就會達到疲勞損傷破壞直至風化；

（3）熱物理試驗表明該勘查區巖體的熱學敏感性相對較弱。

2.2 地溫監測試驗

1）地溫監測，地溫監測是獲取高原高寒地區凍土（巖）分布厚度的重要手段[7]，本次欲通過地溫監測進一步研究地溫隨時間（外界氣候條件）的變化。本次地溫監測根據蘭州寒區旱區環境工程研究所設計的測溫系統，對首采區bk2-4孔（孔深121.30 m）沿深度方向設置31個測溫節點，利用美國FLOUC公司生產的萬用表分別讀取該孔不同深度處巖體的溫度電阻，最后轉換成溫度值，找出不同地層深度處地溫隨時間的變化規律。

2）地溫監測規律分析，在2011年9月13日、9月15日、10月10日、10月20日、10月30日分5次對地溫變化情況進行監測，并通過對監測數據進行規律性分析，可得到地溫隨深度的變化曲線如圖1～圖5所示。

通過以上地溫監測，可以對該勘查區地溫變化情況初步做如下分析：

（1）地溫從開始的正值向負值變化，主要原因是地表氣溫逐漸降低，直到59.75 m時，負溫變化結束，之后地溫全部呈現正值且變化極其微小，說明59.75 m是多年凍土的下界點，之后地層溫度呈近似線性分布，隨深度的增加溫度逐漸升高；

（2）從以上5組地溫變化情況來看，從地表0.25 m深度時15.1 ℃到5.75 m深度時的0.1 ℃，以及7.75 m時的-0.1 ℃，說明該區季節性凍土深度大約在5.75左右，主要原因是外屆氣溫的反復變化引起季節性凍融次數的增加所致。

（3）深度達到59.75 m時，地溫接近0 ℃，說明該區多年凍土深度在59.75 m左右，

3 結語

在凍融循環下，巖石物理性質變化不大，和天然狀態下基本持平；隨著凍融循環次數的增加，巖石強度下降非常明顯；熱物理試驗表明該勘查區巖體的熱學敏感性相對較弱。地溫隨深度變化開始呈V字型，之后逐漸向√字型過渡，該區季節性凍土深度大約在6 m左右，多年凍土深度在59.75 m左右，厚度在54 m左右。

參考文獻

[1]周幼吾，郭東信，邱國慶.中國凍土[M].科學出版社，2000：161-394.

[2]崔托維奇.H.A..凍土力學[M].科學出版社，1985：19-41.

[3]劉鴻緒，朱元林.中國寒區建筑基礎設計[J].自然科學進展，1996（11）：661-663.

[4]高井祥，張書華，汪應宏，等.測量學[M].中國礦業大學出版社.

[5]張國良.礦山測量學[M].中國礦業大學出版社.

[6]蔡美峰.巖石力學與工程[M].科學出

版社.

[7]巖土工程監測規范（YS5229-1996）[s].