新疆是我国向西开放的重要门户,也是新亚欧大陆桥的重要通道。天山横亘新疆中部,长期以来,天山南北没有高效、顺直的高等级公路相连,主要原因在于翻越天山修建公路面临众多工程地质问题,尤其是天山山区地形起伏大、气温变化剧烈、高纬度区岩土冻融破坏以及地震多发等等。公路边坡岩体冻融风化破坏机理及边坡破坏规律尚不清楚,导致对线位选择、工程量及投资估算等无法给出准确的认识和评价,从而极大限制了公路建设。拟建的乌鲁木齐-尉犁高速公路是连接天山南北的最重要、最便捷的通道,本文以该项目为依托,选择冻融风化边坡为研究对象,在充分地质调查基础上,分析研究自然地理及气候条件,总结边坡发育、变形、破坏规律,提炼边坡破坏主要影响因素;采用检索、总结和室内试验综合方法研究岩体循环冻融条件下的物理、力学特征;采用现场实录研究自然条件下岩体、边坡冻融风化变形破坏规律;数值模拟再现循环冻融条件下岩石裂隙冰劈效应,温度场、重力场及水冰相变耦合分析冻融条件下边坡温度场、应力场及变形场特征;根据研究区边坡冻融风化破坏影响因素,提出了乌尉高速公路冻融风化边坡质量评价体系,为在大起伏、高海拔、大温差、强震环境下的山区公路边坡稳定性评价提供技术支撑。通过本文研究,取得主要成果与进展如下:(1)基于天山山区地质灾害与干旱少雨、寒暑悬殊、气温差异、蒸发强烈、岩体破碎、风化强烈等特殊环境地质条件耦合分析,揭示了大起伏、高海拔、大温差、强震环境下的山区边坡灾害发育于气候是控制因素、水(地表水、裂隙水)是促进因素、地形地貌及结构岩体是基础条件的岩体冻融风化条件系统。(2)基于沿线地形地貌、地质构造、地层岩性、不良地质、气象水文等调查统计,将乌尉高速公路天山段走廊带工程地质分区划为2个一级分区,9个二级分区及25个三级分区。以线密度为指标,研究了各分区边坡发育程度,其中边坡发育密度较大段落占全部里程的51.7%。边坡破坏类型以崩塌、滑坡为主,其中崩塌包括横向卸荷回弹+冻融风化驱动陡立边坡崩塌、沿裂隙面冻融风化变形剥落崩塌、冻融滑移崩塌及冻融滚落崩塌;滑坡主要包括大型滑坡、中型滑坡及小型平面滑坡,以中小型滑坡为主。本区边坡破坏主控启动因素为冻融。(3)通过检索国内外岩体、土质冻融试验成果,总结了岩土体循环冻融条件下的物理、力学性质变化特征,岩石在冻融条件下物理、力学性质总体呈减损劣化趋势。基于研究区特殊气象、地质条件及研究需要,进行了水冰相变应力实验、裂隙岩体冻胀过程变形实验及裂隙岩体冻融过程劈裂实验,揭示了冻融循环条件下岩体的破坏机理应包括两个方面,即微观方面岩石的劣化和宏观方面岩体结构面的快速风化,其中,微观破坏主要由岩石大温差条件下差异性热胀冷缩疲劳变形引起;宏观结构面破坏主要由岩块与结构面及结构面内部物质大温差条件下热胀冷缩差异性疲劳变形以及裂隙水冻胀劈裂共同作用。宏观结构面冻融破坏是岩体冻融破坏的主要方面。(4)依托原位观测,实录分析了研究区不同体量、不同结构岩体及不同尺度裂隙天然条件下冻融破坏特征,揭示了不同坡度边坡或山体不同部位的冻融风化特征,以此破译其冻融破坏机理。完整岩石冻融风化与岩石颗粒组成、胶结状态、纹理构造息息相关,颗粒均匀、胶结密实、纹理构造少的岩石,抗冻融风化强,冻融风化程度与岩石的含水率、冻融温度区间、冻融时间长短息息相关,含水多、温差大、冻融时间长的岩石,冻融风化强烈;完整颗粒状岩石受冻融风化影响表现为剥落破坏。结构岩块、块状结构及碎裂结构岩体边坡,冻融风化速率差异大,表现为裂隙带、层理等弱面首先风化破坏,被结构面切割的岩块冻融风化较慢;宏观相对均质边坡,表现为由表及里的剥落破坏;含长大节理、裂隙、断层带的岩体及边坡冻融风化速率表现各向异性,宏观结构面具有更强烈的冻融风化导向性。(5)通过ANSYS热分析模拟岩体在不同温度区间下的温度场,将热应力耦合至由水-冰相变引起的应力变形场,分析岩块裂隙的冰劈效应,研究表明裂隙水-冰相变对裂隙扩展影响巨大;将热应力与边坡重力场耦合,发现循环冻融条件下温度应力改变了边坡表层的重力场,导致边坡局部应力集中,尤其是含裂隙水的长大裂隙,冰劈效应导致的应力足以劈裂岩体,加速了边坡的变形破坏。(6)针对冻融风化的特点及规律如何在乌尉高速公路边坡岩体质量评价中准确体现并反映实际情况,本文提炼了天山岩质冻融风化边坡稳定性主要影响因素,基于BQ岩体基本质量体系,结合对边坡发育特征及地下水影响因素的修订,构建了边坡岩体质量评价体系-TBQ,体系综合考虑了岩石强度、岩体完整性、边坡结构特征、边坡临空条件以及水的影响,达到快速、准确、经济地评价边坡岩体质量的目的。在此基础上对高寒山区冻融风化、地震以及开挖方式等因素进行修订,构建了边坡岩体稳定性评价预测体系-TFBQ。通过上述评价体系,系统评价了研究区典型岩质边坡的稳定性及发展趋势,揭示了冻融风化对边坡稳定性的影响程度,为依托工程针对性防护设计提供了依据。