冻融循环作用下露天煤矿内排土场土体力学特征及强度劣化机理
论文题目
张合勇，王雪冬*，朱永东，王海鹏，漆利辉
（辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000）
研究内容
摘要：为了探究冻融循环作用对土体结构和力学性质的影响机理，以内蒙古元宝山露天煤矿内排土场典型黏土为研究对象，采用室内冻融循环试验和MatDEM 数值模拟，进行土体内部温度场、水分场和应力场的模拟分析。结果表明：排土场土料经过冻融循环后发生冻缩现象；低围压时应力−应变曲线呈现应变软化型，发生剪切破坏，围压升高后向应变硬化型转变，发生剪胀破坏；抗剪强度的劣化受前3 次冻融作用的影响最为显著，在第3 次达到最低值；温度的传递过程可划分为温度快速下降、缓慢相变过程、继续降温、温度稳定4 个阶段；水分运移主要在温度传递的前2 个阶段发生，且第二阶段的水分运移量居多；颗粒受冻融作用后整体半径缩小、分散性增大；温度和水分运移引起的颗粒胀缩、冰−水相变、冷生结构的形成等，导致颗粒的大小、位置、连接状态和颗粒间的应力等反复变化，共同驱动土体产生不可逆的结构性损伤，进而造成强度劣化。水分运移不仅为冷生构造的生长提供水源条件，还产生溶蚀、冲刷破坏，与水的相变共同成为冻融循环作用导致土体发生结构调整和应力场变化的主要原因。通过离散元法模拟冻融循环，有助于了解土体内部的力学特征和强度劣化机理，为冻区露天煤矿内排土场边坡及其他工程建设的稳定性研究提供参考。
关键词：露天煤矿；冻融循环；MatDEM；温度传递；水分运移；强度劣化
图 2 土料重塑、制样步骤及图片
图 4 不同冻融次数、不同围压的应力−应变曲线
图 9 试样模型
图 10 恒温结构
图 12 冻融过程中的温度传递
图 13 冻融过程中水分运移
图 14 冻结、融化后颗粒半径分布
图 18 不同冻融次数的强度对比
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张合勇，王雪冬，朱永东，等. 冻融循环作用下露天煤矿内排土场土体力学特征及强度劣化机理[J]. 煤田地质与勘探，2023，51(11)：119−131. doi: 10.12363/issn.1001-1986.23.04.0210
