Investigation of block foundations resting on soil-rock and rock-rock media under coupled vibrations

In the present study,the dynamic response of block foundations of different equivalent radius to mass（R;/m） ratios under coupled vibrations is investigated for various homogeneous and layered systems.The frequency-dependent stiffness and damping of foundation resting on homogeneous soils and rocks are determined using the half-space theory.The dynamic response characteristics of foundation resting on the layered system considering rock-rock combination are evaluated using finite element program with transmitting boundaries.Frequencies versus amplitude responses of block foundation are obtained for both translational and rotational motion.A new methodology is proposed for determination of dynamic response of block foundations resting on soil-rock and weathered rock-rock system in the form of equations and graphs.The variations of dimensionless natural frequency and dimensionless resonant amplitude with shear wave velocity ratio are investigated for different thicknesses of top soil/weathered rock layer.The dynamic behaviors of block foundations are also analyzed for different rock-rock systems by considering sandstone,shale and limestone underlain by basalt.The variations of stiffness,damping and amplitudes of block foundations with frequency are shown in this study for various rock—rock combinations.In the analysis,two resonant peaks are observed at two different frequencies for both translational and rotational motion.It is observed that the dimensionless resonant amplitudes decrease and natural frequencies increase with increase in shear wave velocity ratio.Finally,the parametric study is performed for block foundations with dimensions of 4 m × 3 m × 2 m and 8m×5m×2m by using generalized graphs.The variations of natural frequency and peak displacement amplitude are also studied for different top layer thicknesses and eccentric moments.

中国大规模盐穴储氢需求与挑战

氢能是来源广泛且低碳清洁的能源,大力发展氢能产业是实现双碳目标和应对全球能源转型的重要举措。在氢能“制备―储存―运输―应用”全产业链中,储氢难问题长期制约着氢能产业高质量发展。盐穴储氢具有成本低、规模大、安全性高和储氢纯度高等突出优势,是未来氢能大规模储备的重要发展方向,也是我国能源低碳转型的重大战略需求。综合调研了我国制氢产业和氢能消费现状,分析了我国盐穴储氢的需求。调研了国外利用盐穴储存天然气和氢气的技术及工程现状,总结了我国盐穴储气库发展和建设历程。对比了利用盐穴储存天然气、氦气、压缩空气和氢气的异同点,提出我国盐穴储氢面临三大科技挑战:层状盐岩氢气渗透与生化反应、盐穴储氢库井筒完整性管控、储氢库群灾变孕育与防控。研究成果明确了我国氢气储备需求的快速增长趋势和大规模盐穴储氢的重点攻关方向。

准噶尔盆地盆1井西凹陷石炭系火山岩凝析气藏的发现与勘探启示

准噶尔盆地石炭系火山岩油气藏是油气勘探的重点领域之一。根据录测井资料、地球化学分析数据及岩石薄片鉴定资料,结合地球物理方法,厘清了准噶尔盆地盆1井西凹陷石炭系火山岩油气成藏的主控因素,总结出深层火山岩气藏富集规律,明确了有利勘探方向。研究结果表明:(1)准噶尔盆地盆1井西凹陷风城组烃源岩厚度为100~300 m,面积约为5 400 km2,整体进入生凝析油—干气阶段,生气强度大于20×108m3/km2,为凹陷提供了丰富的天然气源。(2)研究区石炭系火山岩岩性复杂,爆发作用形成的安山质火山角砾岩受到风化淋滤作用,可形成物性较好的风化壳型储层。石炭系—二叠系大型不整合面和广泛发育的深大断裂是重要的输导体系,二叠系上乌尔禾组泥岩作为区域盖层,为凝析气成藏提供了保存条件,油藏主要分布在高部位,气藏分布于低部位。(3)通过“两宽一高”(宽方位、宽频带、高密度)技术,提高地震成像精度,联合时-频电磁技术(TFEM),实现了石炭系火山岩的精细刻画,为深层油气藏的勘探提供了有力支撑。石西16井的重大突破,证实了盆1井西凹陷石炭系火山岩具有巨大的勘探潜力。

不同粗糙度煤岩界面超低摩擦效应与声发射特征试验研究

为了揭示动载扰动作用下煤岩界面粗糙度对超低摩擦型冲击地压影响机制,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以沈阳红阳三矿1082 m采深煤岩体为研究对象,通过改变煤块与砂岩块体表面粗糙度来模拟煤岩界面不同粗糙特性,以粗糙度系数表征煤岩界面粗糙程度,工作块体水平位移表征冲击过程中超低摩擦效应强度,声发射能量为工作块体摩擦滑动过程中的信号参数,进行应力波扰动下不同粗糙度煤岩界面超低摩擦试验.研究结果表明:(1)超低摩擦滑动过程中,工作块体水平位移、声发射能量计数以及累计能量曲线呈现出孕育阶段、激发阶段、稳定阶段变化特征;(2)煤岩界面粗糙度越小,工作块体水平位移和声发射能量峰值越大,煤岩界面越易发生超低摩擦效应;(3)不同煤岩界面粗糙度下,相比于其他扰动频率, 2 Hz时更易发生超低摩擦效应;(4)给出了声发射能量峰值与煤岩界面粗糙度系数对应关系.声发射能量峰值可以有效表征超低摩擦效应强度,可以用声发射能量峰值预测超低摩擦效应强度.

岩石矿物成分对酸岩反应速率影响规律研究

分析酸液与岩石的化学反应速率规律是碳酸盐岩储层酸化改造技术研究的核心问题。岩石矿物成分是酸岩反应速率的重要影响因素。探索岩石中矿物成分对酸岩反应速率的影响规律,既有助于揭示各类矿物之间竞争反应机理,又可以优化各类型碳酸盐岩改造思路。结合X射线衍射分析与酸岩反应实验,定量测试了不同矿物成分及含量组成下,酸液与岩石的反应速率。研究表明:(1)碳酸盐岩各类矿物中方解石、白云石与反应速率呈正比,其他矿物与反应速率呈反比;方解石比白云石反应速率更快。(2)在灰岩中,当白云石含量为0%~15%与15%~40%时,酸岩反应速率随方解石含量增加升高幅度下降51.4%;当其他矿物含量为0%~15%与15%~30%时,酸岩反应速率随方解石含量增加升高幅度下降61%。在白云岩中,当方解石含量为0%~4%与4%~8%时,酸岩反应速率随白云石含量增加升高幅度上升23%;当其他矿物含量为0%~15%与15%~35%时,酸岩反应速率随白云石含量增加升高幅度减小99%。

基于阵列声波测井估算碳酸盐岩储层岩石力学和地应力参数——以顺北4号带为例

地质力学分析在油气藏勘探开发过程中发挥着重要作用,顺北油气田中—下奥陶统一间房组—鹰山组储层地应力研究相对滞后。对比分析了顺北4号带下古生界中—下奥陶统一间房组—鹰山组碳酸盐岩不同类型储层的岩石力学和地应力特征,同时探讨了微观颗粒结构对碳酸盐岩储层地应力和岩石力学参数的控制作用,为顺北地区超深层碳酸盐岩储层评价提供了基础地质依据。基于弹簧组合模型,通过岩石力学实验和阵列声波测井确定了岩石力学和地应力特征,通过铸体薄片和X射线CT扫描表征碳酸盐岩的微观孔隙结构。研究结果表明:顺北4号带一间房组—鹰山组杨氏模量分布在50~89 GPa,抗压强度在99~136 MPa,泊松比在0.25~0.32;地层最大水平主应力为200~225 MPa,最小水平主应力为125~160 MPa。一间房组—鹰山组碳酸盐岩不同类型储层的岩石力学参数和地应力存在明显差异,从Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类到非储层段碳酸盐岩的杨氏模量、抗压强度和最大水平主应力明显增大,而泊松比和最小水平主应力变化不大。相比于一间房组—鹰山组泥晶灰岩,砂屑-生屑灰岩方解石颗粒较大,颗粒黏结程度降低,导致岩石抗压强度和杨氏模量减小;砂屑-生屑灰岩部分方解石颗粒呈次圆状或圆状,颗粒三维空间球度较大,颗粒之间咬合作用减弱,使得岩石的抗压强度和杨氏模量减小;砂屑-生屑灰岩存在大量的孔隙和裂缝,灰岩易沿着潜在的微裂缝面或者颗粒接触面摩擦滑动甚至破裂,同样导致岩石抗压强度和杨氏模量减小。此外,一间房组—鹰山组泥晶灰岩受热液作用影响,部分白云石交代为石英,导致泥晶灰岩的抗压强度和杨氏模量增加。岩石的宏观力学特征和岩石力学参数受岩石微观颗粒结构的制约,一间房组—鹰山组杨氏模量、抗压强度和最大水平主应力低值区即为顺北4号带优势储层发育区带。

基于居里面深度对中国东北部大地热流的研究

大地热流值是表征地球热状态的重要参数,也是进行深部地温预测和评价一个地区地热资源的最基本数据。受钻孔测温的影响,盆地外的无钻孔测温地区缺少实测的大地热流值。目前的热流分布图都是依据相邻盆地的实测值进行插值绘制的,无钻孔区热流值可信度较低。由于岩石居里点与温度密切相关,可以通过居里面深度来研究地表热流值。本文依据东北地区现有的居里面深度分布图,结合实测的岩石热导率、岩石生热率数据和相应的地壳分层状况,计算了东北地区的大地热流值,重新绘制了中国东北地区精细的大地热流分布图。东北地区整体大地热流处于42.5~95 mW/m~2之间,热流高值位于五大连池及敦化-密山断裂带海龙—牡丹江一带,松辽盆地内部、小兴安岭和长春-延吉缝合带也有局部的高热流值。热流高值与居里面隆起区域有较高的一致性,即居里面隆起处热流较高,而坳陷区热流较低。本次研究填补了中国东部地区热流实测值空白,为该区深部地温预测和地热资源评价提供了更加准确的参数。

中西非裂谷系富油凹陷石油地质特征与勘探方向

基于地震、钻井、烃源岩测试分析等资料,对中西非裂谷系主要盆地富油凹陷石油地质特征进行研究,并探讨未来油气勘探方向。研究表明:中非裂谷系发育下白垩统湖相优质烃源岩,西非裂谷系发育上白垩统陆源海相优质烃源岩,两类烃源岩为中西非裂谷系油气富集提供了物质基础。中西非裂谷系发育包括基岩在内的多套储集层,并存在下白垩统、上白垩统和古近系3套区域盖层。晚中生代以来,受中非剪切带右旋走滑作用等地球动力学因素的影响,中西非裂谷系不同方向的盆地在裂谷作用期次、区域盖层发育层段、圈闭类型及成藏模式等方面存在差异。其中,北东—南西向盆地主要保存了早白垩世一期裂谷层序,区域盖层位于下白垩统裂陷期地层内,形成反转背斜、花状构造及基岩潜山等圈闭类型,发育“源储一体、源内成藏”及“源上储下、源下成藏”两种成藏模式;北西—南东向盆地具有多期裂谷叠置特征,发育上白垩统和古近系区域盖层,形成披覆背斜、断背斜、反向断块等圈闭类型,以“源下储上、源上成藏”为主要成藏模式。多期叠置裂谷盆地的源内成藏组合、强反转盆地的源内岩性油藏及页岩油是中西非裂谷系盆地未来勘探的重要领域。

晒旗河磷矿掘进巷道工作面钻孔卸压参数优化

岩爆是困扰晒旗河磷矿安全开采的主要技术难题,该矿钻孔卸压参数与围岩应力分布不匹配,卸压效果有待提高。以该矿+80 m工作面为研究对象,采用数值模拟对掘进巷道工作面不同钻孔卸压参数下巷道围岩的应力和弹性能变化情况进行分析,探寻最优的卸压钻孔参数方案。引入谷-陶岩爆判据,计算最大主应力和单轴抗压强度的比值,评价卸压钻孔参数优化前后的岩爆等级,验证钻孔卸压效果。研究结果表明:随着钻孔深度的增加,巷道围岩应力先减小后增大,当钻孔深度为10 m时,围岩应力和弹性能最小;在保持钻孔数量不变的情况下,钻孔间距过小,钻孔周围形成的卸压区域重叠,整体卸压范围受限,钻孔间距过大,每个钻孔间形成的卸压区域无法起到协同卸压作用。卸压钻孔参数优化后最大主应力下降了14 MPa,岩爆风险等级由中等岩爆降为无岩爆。研究结果可为鄂西地区类似矿山卸压钻孔参数的选用提供参考。

岩体弱化方法及其在深部高应力硬岩机械化开采中的应用

战略性矿产资源的安全保供是国家重大战略需求,向地球深部要矿产资源在未来相当长一段时间内具有不可替代的战略性。为了保障矿产资源需求,深部高应力硬岩的安全高效开采是深部采矿必须解决的重大问题。首先,本文阐述了深部高应力硬岩采矿的技术挑战及“变害为利”的采矿变革思路,提出了高应力硬岩弱化后再开展机械破岩以实现商业化开采的关键技术对策。然后,总结了“接触式”和“非接触式”岩体弱化方法的机理、具体特点与发展现状,并对比分析了两类岩体弱化方法在辅助高应力硬岩机械破岩领域的发展潜力。最后,展望了以深部高应力硬岩热剥落损伤弱化辅助机械破岩为代表的安全高效连续采矿技术,为深部战略性矿产资源安全保供与深地工程发展提供了有益指导。

围压条件下粒子冲击破岩裂隙扩展机理研究

为揭示粒子冲击下围压对岩石裂隙形成及扩展机制的影响,开展了粒子冲击破岩试验和微纳米工业CT(compnted tomography)扫描试验,明确了围压对粒子冲击作用下岩石裂隙扩展特征的影响;并对不同围压条件下的粒子冲击进行数值模拟,分析了岩石的应力场和裂隙场演化过程,揭示了围压影响裂隙扩展的内在机制。结果表明,粒子冲击岩石后,在岩石内部形成破碎区和晶间主裂隙扩展区。压应力导致形成的剪切应力和拉应力是破碎区形成的主要原因,而晶间主裂隙扩展区形成的主要原因是切向衍生拉应力。围压使岩石颗粒间产生预应力,导致切向衍生拉应力需克服颗粒之间的初始压应力才能形成张拉裂隙;围压的增大导致岩石颗粒间剪切裂隙比例和摩擦效应提升,产生相同裂隙数目消耗能量增大,抑制了晶间主裂隙扩展区和破碎区的形成,破碎效果降低。

隧道穿越岩堆体围岩剪切特性及分级

为解决隧道穿越岩堆体围岩分级不准确的问题,通过相似材料直剪试验分析岩堆体的直剪特性,将含水率和填充土含量两个因素带入熵权可拓物元法,并结合地质指标进行分级研究。结果表明岩堆体的抗剪强度随着含水率、填充土含量的增大,先增大后减小,最终趋于平稳,过高或过低的含水率和填充土都会“弱化”岩堆体的抗剪强度。根据岩堆体的特点,选取岩石单轴饱和抗压强度、节理裂隙密度、岩体完整性系数、含水率和填充土含量作为分级指标,结合熵权可拓物元法,将所选指标和熵权可拓物元法结合并在工程实例进行验证,分级结果比原方法准确性更好,证明研究提出的围岩分级方法是合理可行的。研究结果能够为岩堆体隧道的围岩分级提供指导,为施工设计和支护方式提供依据。

基于冲能吸能平衡效应的冲击地压巷道分级支护研究

冲击地压是煤炭开采过程中发生的一种动力灾害,主要是由积聚在煤岩中的弹性变形能突然急剧释放造成的,约90%发生在巷道中。巷道冲击破坏不仅与冲击能量直接相关,还与冲击距离远近紧密相关,提出能距比的概念,即冲击震源释放能量与其至巷道距离的比值。根据冲击地压动静载叠加机制和冲能吸能平衡理论,综合考虑冲击震源能距比量级、巷道破坏程度、支护构件吸能、弱结构吸能等特性,建立了巷道围岩冲击矿震稳定性控制模型,分析了冲能、吸能的构成和计算过程,搭建了冲击地压能级与巷道支护强度之间的对应关系,确定了“四高锚网+”为主导技术的煤矿巷道防冲抗震支护体系。根据能距比量级大小,将冲击地压巷道支护安全可靠性分为P1~P4级别,分级对应采取不同支护强度的“四高锚网+”组合支护技术。“四高”锚网支护可对应能距比为102量级的无冲击巷道,“四高锚网+1”(O型钢棚、吸能防冲单元架、围岩弱结构)对应能距比为103量级的冲击地压,“四高锚网+2”对应能距比为104量级的冲击地压,“四高锚网+3”对应能距比为105量级的冲击地压,106及以上量级的冲击危险必须停产、撤人远场处理。结合工程实例进行了巷道防冲支护方案和参数设计,初步验证了理论研究成果的可行性和实用性。研究成果可为我国煤矿冲击地压巷道支护理论研究和工程实践提供一定的参考指导。

中基性火山岩多种叠前反演算法对比、优选及应用——以查干花地区火石岭组为例

目前应用最广泛的叠前同时反演算法是基于各项同性水平介质的Zoeppritz方程近似表达式,但对于具有岩性横向变化快且纵向多期叠置特点的中基性火山岩储层,凝灰岩和沉凝灰岩具有相近的测井和地球物理响应,叠前同时反演在火山岩岩性、物性的区分上存在一定的局限性。通过褶积模型正演定性分析火山岩储层地震响应特征,井上岩石物理分析火山岩储层岩性、物性敏感参数,通过模型试算和实际数据计算对比分析6种Zoeppritz方程近似的二项式和三项式叠前反演算法在该地区的适用性,从而优选出SMITH&GIDLOW,FATTI近似算法,输入纵波阻抗、横波阻抗和密度的反射系数进行叠前反演,应用叠前纵波阻抗反演结果对该地区凝灰岩进行预测,应用叠前密度反演结果对有效储层物性进行预测。支撑部署1口评价井,预测符合率为76.0%,部署1口水平井,预测符合率为84.6%,均获得工业气流。

鄂尔多斯盆地上古生界煤岩气成藏地质条件及勘探方向

为了进一步提高鄂尔多斯盆地煤岩气勘探开发效益,综合钻井、录井和分析测试等资料,从盆地尺度上系统地研究了上古生界煤系地层聚煤环境、煤质特征、储层物性和含气性,分析了盆地煤岩气成藏条件,总结了煤岩气勘探开发关键技术,评估了盆地煤岩气资源,并指出了煤岩气的勘探方向。研究结果表明:①盆地石炭纪本溪期海陆交互相沉积与二叠纪山西期陆相三角洲沉积发育形成广泛分布的煤岩,热演化程度较高,镜质组含量高,生烃规模大。②盆地深层煤质优良,以光亮煤和半亮煤为主,煤体结构良好,以原生结构煤为主,固定碳含量高,挥发分和灰分产率低。③煤岩储层发育储集空间包括气孔、植物组织孔和无机矿物质孔,割理和裂隙发育,平均孔隙度为4.80%,平均渗透率为2.35 mD,属于致密储层;煤岩平均含气量为22.53 m^(3)/t,其中游离气平均含量为5.65 m^(3)/t,占总含气量的25.08%。④煤岩与上覆不同岩性形成了煤岩-泥岩、煤岩-石灰岩和煤岩-砂岩3种储盖组合,控制了游离气富集分布,提出了“源储一体、持续生烃、盖层封堵”的煤岩气成藏模式。⑤在煤岩气勘探实践中形成了地震地质综合建模、水平井钻完井、压裂改造和限压排采等一系列配套工程技术。⑥盆地本溪组8号煤岩和山西组5号煤岩埋深1500 m以深煤岩叠合总面积16.70×104 km^(2),估算煤岩气总资源量23.47×10^(12) m^(3)。其中8号煤岩分布面积10.63×104 km^(2),煤岩气资源量17.43×10^(12) m^(3);5号煤岩分布面积6.06×104 km^(2),煤岩气资源量6.04×10^(12) m^(3)。结论认为:①鄂尔多斯盆地煤岩气地质条件优越,资源潜力巨大,勘探配套技术已基本形成,煤岩气勘探开发前景良好;②神木周边、榆林周边、乌审旗周边、米脂北、佳县、绥德、吴堡、大宁-吉县等区带8号煤岩,神木-伊金霍洛旗、榆林-佳县、乌审旗北、横山-子洲等区带5号煤岩是近期煤岩气的重点勘探方向。

云南某含碳低磷中镁高硅磷矿浮选实验研究

云南某磷矿呈深灰色,矿石中含有无机碳源(石墨),w(P_(2)O_(5))为19.50%,w(MgO)为3.48%,w(SiO_(2))为30.41%,属低磷中镁高硅磷矿。采用一次脱碳浮选、一次脱硅粗选,一次脱硅扫选,一次脱镁浮选、脱硅扫选中矿返回脱硅粗选的闭路工艺,可以得到精矿w(P_(2)O_(5))为28.81%,P_(2)O_(5)回收率为57.75%的选别指标,实现了该类磷矿资源的有效回收,为同类矿产资源回收利用提供了借鉴。

含孔洞多裂隙复合岩层裂纹扩展和分形特性模拟研究

利用RFPA2D模拟在单轴压缩的条件下,含预制裂隙和孔洞复合岩层的裂纹扩展、破坏模式和分形特征,通过改变裂隙倾角和岩层倾角对裂纹扩展过程进行分析。结果表明:岩层倾角为0°不变而裂隙倾角变化时,模型试件破坏模式分为X型破坏模式和Y型破坏模式,对比应力-应变曲线和声发射数、分形维数-步数曲线发现分形维数对岩层破坏具有一定的表征作用;裂隙倾角为0°不变而岩层倾角变化时,模型试件破坏模式分为穿切软岩破坏模式和沿软岩破坏模式;通过Matlab计算得到的部分含孔复合岩层裂纹的分形维数与模型试件抗压强度的变化规律相同,分形维数与抗压强度之间的拟合存在显著的线性关系。

油气倒灌会发生吗?——与王永诗先生商榷

针对石油地质学中油气倒灌会否发生的问题,根据渗流力学的相关理论,通过理论分析深入研究了油气的运移成藏机理及地层超压的形成机理,并获得以下主要认识:1)运移与流动不同,流动需要压差驱动,运移不需要压差驱动,油气运移是浮力作用下的离散流或滴流;2)油气可以向上运移,油气倒灌不会发生,因为缺少动力的驱动;3)室内实验没有模拟地下情况,压差大,流速高,属于油气流动,而非油气运移;4)泥岩地层为开放地层,并不存在超压,地层水通过流动可以平衡地层压力;5)油气被地层水分割包围,可以出现超压,超压部分被毛管压力所平衡;6)上生下储式并不存在,烃源岩不一定位于油气藏的正下方,侧向运移也可以实现油气成藏。

鄂尔多斯盆地中东部太原组碳酸盐岩烃源岩岩相类型及地球化学特征

随着鄂尔多斯盆地中东部上古生界下二叠统太原组斜道段灰岩和毛儿沟灰岩中高产气藏的发现,太原组煤系烃源岩以外的碳酸盐岩生烃潜力评价显得尤为重要。以鄂尔多斯盆地中东部地区太原组灰岩为研究对象,通过岩心观察、测井资料及地化实验数据的综合应用,分析海陆混合沉积潮坪环境中灰岩有机地化特征,并对有利于烃源岩发育的岩相类型进行划分。结果表明:①总体看来,太原组灰岩较之泥页岩有机质丰度偏低,斜道段灰岩有机质丰度最高,毛儿沟段次之;有机质类型主要以Ⅰ型为主,部分样品出现Ⅱ型干酪根特征;有机质普遍处于高成熟度演化阶段,热解峰温(T max)平均可达483℃,镜质体反射率(R o)普遍高于1.2%。②基于地球化学参数及岩石学特征的差异,将太原组灰岩共分为4类岩相类型:Ⅰ-Ⅱ型干酪根高有机质纹层状泥质泥晶灰岩相、Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有机质块状泥晶灰岩相、Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有机质块状生屑泥晶灰岩相以及Ⅰ型干酪根低有机质块状藻凝块灰岩相。③研究区中部以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有机质块状泥晶灰岩为主,烃源岩厚度不大;西部以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有机质块状生屑泥晶灰岩岩相为主,有效烃源岩厚度较大;东部灰岩沉积分布广且厚度大,虽以Ⅰ型干酪根低有机质块状藻凝块灰岩为主,但岩相多变,有效烃源岩厚度不小。

冻结作用下土石坝护坡土石混合体水分迁移试验研究

土石坝护坡冻胀破坏主要由护坡砂砾料垫层、坝体填土自身冻胀和水分迁移共同作用引起。针对寒区土石坝护坡普遍存在的隆起、错位、坍塌等冻胀破坏问题,以寒区某土石坝护坡工程砂砾料垫层、坝体填土为研究对象,采用自研的土石混合体水分迁移冻结模型试验装置系统,开展了补水条件下单向冻结模型试验研究,研究了温度、含石量、水分迁移对土石坝护坡土石混合体冻胀特性的影响。研究结果表明:温度、含石量对土石混合体的冻胀特性影响显著;水分迁移受土石含量、温度和含水率影响,护坡砂砾料垫层和坝体填土含水率越大,冻结过程中水分迁移量越大,水分相变成冰的条件越充分;土、石分层对黏土温度变化影响较大,黏土和砾石分层可有效减小水分迁移量和冻胀量,对土石坝护坡防冻胀是有利的;土石混合体内部孔隙水相变成冰并在试样内部形成分凝冰是冻胀量增加的主要原因,土石混合体原位冻胀以及冻结过程中分凝冰的生长使冻胀量不断增加,且补水量越大,试样冻胀量就越大;不同温度、含石量下试样的冻胀量均随补水量的增加而基本呈线性增大,且含石量对冻胀量增加速率影响较小,温度对冻胀量增加速率影响较显著。研究成果可为寒区土石坝护坡设计和运行管理提供科学依据和技术支撑,补充了碾压式土石坝设计规范中的护坡设计。