季節(jié)性循環(huán)凍融下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析

摘要：為探究循環(huán)凍融對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響，以中國東北某礦山受季節(jié)性循環(huán)凍融影響的巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，考慮-5℃、-10℃、-15℃、-20℃4種凍融溫度梯度，探究1，3，5，7次循環(huán)凍融下巖體力學(xué)特性劣化規(guī)律，并基于MSDP準(zhǔn)則開展巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：隨著凍融溫度梯度降低和循環(huán)凍融次數(shù)增加，試樣內(nèi)部凍縮加劇，試樣抗壓強(qiáng)度降低2.9%～20.3%，抗拉強(qiáng)度降低6.1%～24.8%，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別降低6.5%～13.7%、2.2%～17.3%;當(dāng)凍融溫度梯度固定時(shí)，試樣拉壓力學(xué)性能隨循環(huán)凍融次數(shù)增加出現(xiàn)大幅度降低，再次回升后趨于穩(wěn)定，3次完整循環(huán)凍融下試樣力學(xué)特性降幅最大。疲勞損傷作用下試樣內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)張發(fā)育，間斷形的裂紋逐漸衍生貫通，裂紋數(shù)量隨循環(huán)凍融次數(shù)的增加而增多，細(xì)觀角度分析凍融對(duì)巖體強(qiáng)度劣化的實(shí)質(zhì)是循環(huán)凍融下產(chǎn)生的疲勞損傷?；贛SDP準(zhǔn)則下求算出的安全系數(shù)小于常規(guī)極限平衡法求算的安全系數(shù)。凍融溫度-20℃、循環(huán)凍融7次時(shí)安全系數(shù)最低，循環(huán)凍融作用下，試樣內(nèi)部發(fā)生了不可逆的結(jié)構(gòu)性損傷，試樣強(qiáng)度劣化后抗滑力下降，邊坡安全系數(shù)隨之降低。計(jì)算結(jié)果可為循環(huán)凍融作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

關(guān)鍵詞：循環(huán)凍融；溫度梯度；抗壓強(qiáng)度；抗拉強(qiáng)度；極限平衡理論；邊坡工程；穩(wěn)定性分析

中圖分類號(hào)：TD854*.6文章編號(hào)：1001-1277（2025）01-0069-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250111

引言

隨著露天礦山的進(jìn)一步推進(jìn)，邊坡穩(wěn)定性成為制約露天礦山開采安全性的重要因素。相較于常規(guī)隱患而言，邊坡失穩(wěn)不僅會(huì)導(dǎo)致工期延后、維護(hù)成本增加，還直接威脅人民生命、財(cái)產(chǎn)安全2。研究表明，影響工程巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的外因包括強(qiáng)降雨、凍融、滲流、強(qiáng)風(fēng)化、循環(huán)振動(dòng)等3。其中，循環(huán)凍融對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響是通過強(qiáng)化內(nèi)部節(jié)理裂隙形成內(nèi)部損傷，從而劣化巖體強(qiáng)度，增加邊坡失穩(wěn)滑移風(fēng)險(xiǎn)。因此，開展季節(jié)性循環(huán)凍融對(duì)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的影響研究，對(duì)中國北方寒冷地區(qū)的礦山邊坡穩(wěn)定性分析具有重要參考價(jià)值。

目前，邊坡穩(wěn)定性分析方法分為現(xiàn)場監(jiān)測分析法、地質(zhì)分析法、理論分析法和相似模擬法4類。其中，極限平衡法是理論分析法中最具代表性的方法。20世紀(jì)20年代，F(xiàn)ELLENIUS提出瑞典圓弧法后，BISHOP在20世紀(jì)50年代對(duì)圓弧法作了改進(jìn)，提出安全系數(shù)定義；同時(shí)JANBU充分考慮了條間法向力為水平作用力，通過極限平衡確定了安全系數(shù)；BELANDRIA等8運(yùn)用極限平衡法，建立了邊坡節(jié)理裂隙分析模型，對(duì)安全系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確求解；國內(nèi)學(xué)者朱合華等和吳順川等利用Hoek—Brown準(zhǔn)則對(duì)巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)滑移規(guī)律進(jìn)行探究；徐衛(wèi)亞等運(yùn)用極限平衡法求算出邊坡支護(hù)加固力學(xué)角度的最佳位置；AUBERTIN等在Hoek-Brown準(zhǔn)則基礎(chǔ)上 提出了MSDP（Miss schleiche drucker prager， MSDP） 準(zhǔn)則。凍融條件下巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)會(huì)降低，更易造成失穩(wěn)破壞。周科平等通過探究不同程度循環(huán)凍融對(duì)巖體損傷程度開展試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，隨著凍融次數(shù)增加，巖體損傷程度增大，強(qiáng)度降低；聞磊等對(duì)不同巖性巖體開展凍融試驗(yàn)，凍融會(huì)造成巖體內(nèi)部損傷，強(qiáng)化節(jié)理裂隙，并將結(jié)果應(yīng)用于工程巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析之中。

上述研究表明，循環(huán)凍融對(duì)巖體力學(xué)參數(shù)有著不同程度的弱化作用。針對(duì)循環(huán)凍融作用下的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析，基于極限平衡法求解巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)的研究較少，且Hoek—Brown準(zhǔn)則計(jì)算過程中易出現(xiàn)奇異性。鑒于此，本文以中國東北寒區(qū)某露天礦山巖質(zhì)邊坡為研究對(duì)象，礦區(qū)年平均氣溫—5℃，最低溫度可達(dá)—20.8℃；最大凍土厚度達(dá)2.04m。為探究礦山邊坡在季節(jié)性循環(huán)凍融作用下的穩(wěn)定性，開展室內(nèi)凍融試驗(yàn)和常規(guī)力學(xué)測試，研究循環(huán)凍融作用對(duì)巖體強(qiáng)度參數(shù)的弱化影響。另一方面，為避免計(jì)算過程中出現(xiàn)奇異性，根據(jù)MSDP準(zhǔn)則求算主應(yīng)力間的關(guān)系后，再利用極限平衡法求解邊坡安全系數(shù)。這在保障礦山安全高效開采的同時(shí)，也為寒區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究、工程利用、地質(zhì)災(zāi)害防治提供參考。

1試驗(yàn)方案

1.1試驗(yàn)概況

通過現(xiàn)場調(diào)研及地質(zhì)勘查可知，該礦山目前開采方法為露天臺(tái)階法開采，設(shè)計(jì)邊坡的服務(wù)年限為70a，最終邊坡高度710m，設(shè)計(jì)邊坡角為44°。西部邊坡下部為礦區(qū)主斷裂，斷裂破碎帶較厚；礦區(qū)西北部綠泥石化強(qiáng)烈，高嶺土化發(fā)育。巖性以角礫巖、細(xì)?；◢弾r為主，由于綠泥石化均沿細(xì)小裂隙呈薄膜狀發(fā)育，存在裂隙水情況下冬季低溫形成凍土，夏季常溫時(shí)融化，常年的循環(huán)凍融對(duì)巖質(zhì)邊坡造成一定損傷，強(qiáng)降雨及采礦過程中爆破等因素易造成邊坡巖石失穩(wěn)。對(duì)現(xiàn)場巖質(zhì)邊坡進(jìn)行鉆孔取樣，經(jīng)過不同溫度梯度、循環(huán)次數(shù)凍融處理后，開展物理力學(xué)性能測試，試驗(yàn)遵循《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[15]，最后利用MSDP準(zhǔn)則求算坡體主應(yīng)力間的關(guān)系，獲取滑面剪應(yīng)力、抗滑力及下滑力和安全系數(shù)，對(duì)循環(huán)凍融作用下的巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

1.2測試系統(tǒng)

依托MTS Landmark高頻疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，該系統(tǒng)為電-液伺服的高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)，可用于測試金屬及非金屬材料的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能，也可進(jìn)行腐蝕、高低溫環(huán)境下的力學(xué)性能測試。對(duì)現(xiàn)場細(xì)?；◢弾r質(zhì)邊坡取芯，制成φ50 mm×100 mm圓柱體試樣，均分成4組，試樣烘干處理后再置于恒溫箱中養(yǎng)護(hù)24h，養(yǎng)護(hù)完成后每組取4個(gè)試樣開展凍融試驗(yàn)，設(shè)置4組溫度梯度為-5℃、-10℃、-15℃、-20℃，分別進(jìn)行1，3，5，7次凍融處理。每個(gè)溫度梯度下凍結(jié)12h，然后常溫（25℃）條件下解凍12h為1個(gè)循環(huán)，對(duì)照組不進(jìn)行凍融處理。試樣凍融損傷變量定義為：

式中：D為動(dòng)態(tài)損傷指標(biāo)（%）;v?為凍融損傷試驗(yàn)前通過試樣的波速（m/s）;v?為凍融損傷試驗(yàn)后通過試樣的波速（m/s）。

將不同循環(huán)凍融處理下試樣進(jìn)行波速、質(zhì)量、尺寸測算，并根據(jù)式（1）計(jì)算凍融損傷，循環(huán)凍融下試樣損傷統(tǒng)計(jì)如表1所示。由表1可知：循環(huán)凍融下試樣質(zhì)量發(fā)生了改變，這是由于在凍融作用下，附著在巖石試樣內(nèi)部的水分子固結(jié)成冰，產(chǎn)生的凍脹力大于巖石試樣顆粒間的膠結(jié)力，導(dǎo)致部分從整體試樣中脫落，進(jìn)而試樣質(zhì)量發(fā)生變化。當(dāng)凍融次數(shù)較小時(shí)，試樣表面剝落量較低；隨著循環(huán)凍融次數(shù)增加，表面碎屑剝落量減少，由于內(nèi)部原生裂隙不斷擴(kuò)大，但內(nèi)部物質(zhì)不會(huì)剝落出整體，因此剝落量逐漸趨于穩(wěn)定，凍融溫度/次數(shù)為-20℃/7次時(shí)，試樣剝落量最大，達(dá)到0.40g。不同凍融溫度、次數(shù)下凍融損傷程度為1.28%～6.31%;隨著凍融溫度降低，凍融次數(shù)增加，試樣內(nèi)部損傷程度增大。

為獲取凍融處理下試樣強(qiáng)度劣化特性，采用英國INSTRON 1342試驗(yàn)平臺(tái)開展單軸壓縮、劈裂拉伸、直剪等力學(xué)試驗(yàn)測試，試驗(yàn)系統(tǒng)具備拉伸、壓縮、彎曲、疲勞等試驗(yàn)功能，可對(duì)待測試樣的低周疲勞特性及斷裂等力學(xué)性能進(jìn)行測試。通過計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，揭示不同循環(huán)凍融下試樣強(qiáng)度劣化規(guī)律及損傷特性。試驗(yàn)測試系統(tǒng)裝置如圖2所示。

1.3 MSDP準(zhǔn)則下主應(yīng)力關(guān)系求解

極限平衡法求解安全系數(shù)時(shí)，屈服曲線計(jì)算過程中易出現(xiàn)奇異性，AUBERTIN等為克服此項(xiàng)難題，組合M-S準(zhǔn)則和D-P準(zhǔn)則各自特點(diǎn)而提出MSDP準(zhǔn)則，結(jié)合現(xiàn)場巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)求解，充分驗(yàn)證MSDP準(zhǔn)則適用于各種類型巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)面計(jì)算，同時(shí)該準(zhǔn)則能夠較好地反映不同損傷程度下巖體屈服特征，其表達(dá)式為：

式中：J?為應(yīng)力偏量的第2個(gè)變量；σ。為試樣單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）;σ，為試樣最大主應(yīng)力（MPa）;σ，為試樣劈裂抗拉強(qiáng)度（MPa）;I?為應(yīng)力張量的第一不變量；f為參數(shù)；σ?為中間主應(yīng)力（MPa）;σ?為最小主應(yīng)力（MPa）;IT為破壞準(zhǔn)則的拋物線與線性階段之間的過渡條件；α為破壞準(zhǔn)則參數(shù)；φ為試樣內(nèi)摩擦角（°）。

針對(duì)常規(guī)三軸試驗(yàn)，通常為了方便計(jì)算，將中間主應(yīng)力數(shù)值等同于最小主應(yīng)力，因此聯(lián)立式（1）～（7），得到簡化后的MSDP準(zhǔn)則表達(dá)式：

為進(jìn)一步將MSDP準(zhǔn)則應(yīng)用于巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析并求解安全系數(shù)，先建立該準(zhǔn)則強(qiáng)度包絡(luò)線和摩爾應(yīng)力圓之間的關(guān)系，求算該準(zhǔn)則在T-σn的空間表達(dá)式，再對(duì)其中大小主應(yīng)力關(guān)系進(jìn)行求解[1]，得到進(jìn)一步簡化后的MSDP準(zhǔn)則表達(dá)式：

引入Hoek和Bray的經(jīng)典平面邊坡滑動(dòng)計(jì)算模型6，邊坡高度h，邊坡角i，滑動(dòng)平面長1，滑面角0，選取邊坡研究單位自重及地下水重力G，巖質(zhì)坡面超載為q，地下滲流水、裂隙水對(duì)滑動(dòng)平面的作用力為W和W?，以此對(duì)循環(huán)凍融強(qiáng)度弱化的邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，求取滑面上正應(yīng)力（如式（9）所示），再利用正應(yīng)力與剪應(yīng)力的關(guān)系求算剪應(yīng)力，最后求解坡體抗滑力及下滑力，根據(jù)巖質(zhì)邊坡極限平衡分析獲取安全系數(shù)Fs，如式（14）所示。

同時(shí)，運(yùn)用常規(guī)極限平衡法求解不同循環(huán)凍融處理下邊坡的安全系數(shù)，將求解獲得的安全系數(shù)與基于MSDP準(zhǔn)則下求解的安全系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1凍融作用下巖體強(qiáng)度參數(shù)弱化

對(duì)不同凍融處理下試樣截面開展細(xì)觀SEM掃描，放大倍數(shù)取1000。-20℃溫度下，不同循環(huán)凍融次數(shù)的試樣細(xì)觀損傷特性圖如圖3所示。運(yùn)用MAT-LAB結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)區(qū)域裂隙生長算法，對(duì)SEM圖像（如圖3-a、b所示）裂隙識(shí)別后進(jìn)行數(shù)字二值化處理（如圖3-a?、b?所示）。由圖3可知：隨著凍融次數(shù)增加，疲勞損傷作用下試樣內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)張發(fā)育，間斷形的裂紋逐漸衍生貫通，且附件裂紋數(shù)量隨循環(huán)凍融次數(shù)的增加而增多，細(xì)觀角度分析凍融對(duì)巖體強(qiáng)度劣化實(shí)質(zhì)是循環(huán)凍融下產(chǎn)生的疲勞損傷。

針對(duì)礦區(qū)巖質(zhì)邊坡Ⅲ-2段進(jìn)行鉆孔取芯，進(jìn)行拉壓力學(xué)測試后得到該區(qū)段巖體抗壓強(qiáng)度為76.9 MPa，抗拉強(qiáng)度為6.57 MPa，直剪試驗(yàn)獲取試樣內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為8.47 MPa、46.7°。將常溫25℃環(huán)境下試樣作為對(duì)照組，對(duì)不同凍融溫度梯度、循環(huán)凍融次數(shù)處理后試樣作為試驗(yàn)組，開展力學(xué)參數(shù)測試，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，內(nèi)聚力、內(nèi)摩擦角變化規(guī)律如圖4所示。由表2可知：隨著凍融溫度梯度降低，試樣拉壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角整體趨勢降低。隨著循環(huán)凍融次數(shù)增加，試樣拉壓強(qiáng)度、內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角整體趨勢也降低。抗壓強(qiáng)度降低2.9%～20.3%，抗拉強(qiáng)度降低6.1%～24.8%，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角降低6.5%～13.7%、2.2%～17.3%。

由圖4可知：當(dāng)凍融溫度梯度固定時(shí)，隨著循環(huán)凍融次數(shù)增加，試樣拉壓物理力學(xué)參數(shù)出現(xiàn)不同程度的劣化，當(dāng)完整循環(huán)凍融次數(shù)為3次時(shí)，試樣拉壓力學(xué)性能降幅最大，根據(jù)圖4中擬合曲線Ⅱ，隨著循環(huán)凍融次數(shù)增加，試樣拉壓力學(xué)性能先出現(xiàn)大幅度降低，再趨于回升并逐漸穩(wěn)定。循環(huán)凍融初次作用下試樣發(fā)生凍縮，內(nèi)部顆粒在凍縮作用下部分出現(xiàn)掉落原有穩(wěn)定排列，形成新的顆粒排列，同時(shí)內(nèi)部原生節(jié)理裂隙擴(kuò)展，綜合作用下對(duì)試樣造成損傷，因此試樣的拉壓力學(xué)強(qiáng)度降低。隨著凍融次數(shù)增加，試樣內(nèi)部顆粒排列趨于穩(wěn)定，受凍縮影響較小，試樣拉壓力學(xué)強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定。

當(dāng)溫度梯度固定時(shí)，循環(huán)凍融次數(shù)對(duì)試樣內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律與拉壓力學(xué)參數(shù)變化趨勢類似。試樣內(nèi)聚力受凍融溫度梯度、循環(huán)次數(shù)影響較小。當(dāng)循環(huán)凍融次數(shù)固定時(shí)，隨著凍融溫度降低，試樣內(nèi)部顆粒分散性增大，內(nèi)部顆粒斷開原有接連而發(fā)生內(nèi)部變形，試樣內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角隨之降低。

2.2邊坡穩(wěn)定性分析

該礦山巖質(zhì)邊坡巖性以花崗巖為主，根據(jù)礦區(qū)地質(zhì)勘查報(bào)告：礦區(qū)內(nèi)無地表水流經(jīng)，巖質(zhì)邊坡不存在超載現(xiàn)象，邊坡角為44°，臺(tái)階邊坡高度為18 m;邊坡內(nèi)部未受凍融影響的區(qū)域巖體抗壓強(qiáng)度為76.9 MPa，抗拉強(qiáng)度為6.57 MPa，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別為8.47 MPa、46.7°;礦山目前服務(wù)年限為5 a，礦區(qū)最低氣溫可達(dá)-20.8℃。對(duì)試樣進(jìn)行循環(huán)凍融損傷后，實(shí)際邊坡巖體抗壓強(qiáng)度降低了14.82%，取65.5 MPa;抗拉強(qiáng)度降低了21.01%，取5.19 MPa;內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別取7.73 MPa、38.6°。運(yùn)用MSDP準(zhǔn)則，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)并求算邊坡安全系數(shù)，結(jié)果如表3所示。

由表3可知：基于MSDP準(zhǔn)則與常規(guī)極限平衡法求算出的未受凍融作用邊坡安全系數(shù)分別為1.583和1.551。隨著凍融溫度降低及循環(huán)凍融次數(shù)增加，2種方法求解的安全系數(shù)值不斷降低，且基于MSDP準(zhǔn)則下求算出的安全系數(shù)小于常規(guī)極限平衡法求算的安全系數(shù)。凍融溫度-20℃，循環(huán)凍融次數(shù)為7次時(shí)，安全系數(shù)最低，2種方法計(jì)算的結(jié)果分別為1.493和1.453。循環(huán)凍融作用下，試樣內(nèi)部發(fā)生了不可逆的結(jié)構(gòu)性損傷，試樣強(qiáng)度劣化后抗滑力下降，邊坡安全系數(shù)隨之降低。計(jì)算結(jié)果可為循環(huán)凍融作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考，寒區(qū)巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上需考慮循環(huán)凍融在巖體內(nèi)部形成的累積損傷。

3結(jié)論

通過對(duì)露天礦山巖質(zhì)邊坡現(xiàn)場取樣，考慮-5℃、-10℃、-15℃、-20℃4種凍融溫度梯度，1，3，5，7次循環(huán)凍融對(duì)巖質(zhì)邊坡巖體的損傷，并基于MSDP準(zhǔn)則開展巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，最終求算凍融損傷下巖質(zhì)邊坡安全系數(shù)，得出主要結(jié)論如下：

1）循環(huán)凍融次數(shù)固定時(shí)，隨著凍融溫度梯度降低，抗壓強(qiáng)度降低2.9%～20.3%，抗拉強(qiáng)度降低6.1%～24.8%，內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角分別降低6.5%～13.7%、2.2%～17.3%。試樣內(nèi)部凍縮加劇，顆粒分散性增大，試樣內(nèi)聚力和內(nèi)摩擦角降低，同時(shí)造成試樣拉壓力學(xué)性能劣化。

2）凍融溫度梯度固定時(shí)，隨著循環(huán)凍融次數(shù)增加，試樣拉壓力學(xué)性能出現(xiàn)大幅度降低，再次回升后趨于穩(wěn)定，3次完整循環(huán)凍融下試樣力學(xué)特性降幅最大。疲勞損傷作用下試樣內(nèi)部裂隙不斷擴(kuò)張發(fā)育，間斷形的裂紋逐漸衍生貫通，裂紋數(shù)量隨循環(huán)凍融次數(shù)的增加而增多，細(xì)觀角度分析凍融對(duì)巖體強(qiáng)度劣化實(shí)質(zhì)是循環(huán)凍融下產(chǎn)生的疲勞損傷。

3）隨著凍融溫度降低及循環(huán)凍融次數(shù)增加，基于MSDP準(zhǔn)則與常規(guī)極限平衡法求算出的安全系數(shù)不斷降低，基于MSDP準(zhǔn)則下求算出的安全系數(shù)小于常規(guī)極限平衡法求算的安全系數(shù)。凍融溫度-20℃，循環(huán)凍融次數(shù)為7次時(shí)安全系數(shù)最低，循環(huán)凍融作用下，試樣內(nèi)部發(fā)生了不可逆的結(jié)構(gòu)性損傷，試樣強(qiáng)度劣化后抗滑力下降，邊坡安全系數(shù)隨之降低。計(jì)算結(jié)果可為循環(huán)凍融作用下巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

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Stability analysis of rock slopes under seasonal cyclic freeze-thaw

Wang Di1，He Yudie2，Yin Wei2

（1.Hunan Center of Natural Resources Affairs;

2.Hunan Provincial Geological Disaster Survey and Monitoring Institute）

Abstract：To investigate the effect of cyclic freeze-thaw on the stability of rock slopes，this study examines a rock slope in a mining area in Northeast China affected by seasonal cyclic freeze-thaw.4 freeze-thaw temperature gradients（-5℃，-10℃，-15℃，and-20℃）and 1，3，5，and 7 freeze-thaw cycles were considered to explore the deterioration pattern of rock mass mechanical properties.The stability of the rock slope was evaluated based on the MSDP criterion.Results indicate that with decreasing freeze-thaw temperature gradients and increasing cyclic freeze-thaw，internal frost shrinkage intensified，leading to a decrease in compressive strength by 2.9%-20.3%，tensile strength by 6.1%-24.8%，cohesion by 6.5%-13.7%，respectively and internal friction angle by 2.2%-17.3%.For fixed freeze-thaw temperature gradients，the tensile and compressive mechanical properties of samples decreased significantly with increasing cyclic freeze-thaw，showed a recovery，and then stabilized.The largest reduction in mechanical properties occurred after 3 complete freeze-thaw cycles.Fatigue damage caused the development and propagation of internal cracks，with discontinuous cracks gradually extending and connecting.The crack quantity increases with eyclic freeze-thaw.According to microscopic analysis，the essence of rock mass strength deterioration is fatigue damage induced by cyclic freeze-thaw.Safety factors calculated using the MSDP criterion were lower than those determined by conventional limit equilibrium methods.The lowest safety factor was observed at-20℃after 7 freeze-thaw cycles.Under cyclic freeze-thaw，irreversible structural damage occurs inside the test samples，leading to decreased sliding resistance due to deteriorated test sample strength，ultimately lowering slope safety factors.These findings provide a reference for evaluating rock slope stability under cyclic freeze-thaw.

Keywords：cyclic freeze-thaw;temperature gradient;compressive strength;tensile strength;limit equilibrium"theory;slope engineering;stability analysis