武 鶴， 劉瑩瑩， 葛 琪

(1．黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院， 哈爾濱 150050； 2．中國地質大學 工程學院， 武漢 430074；3．哈爾濱遠東理工學院 土木與建筑工程學院， 哈爾濱 150076)

土質路塹邊坡凍融淺層的滑塌機理與數(shù)值模擬

武 鶴1,2， 劉瑩瑩3， 葛 琪1

(1．黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院， 哈爾濱 150050； 2．中國地質大學 工程學院， 武漢 430074；3．哈爾濱遠東理工學院 土木與建筑工程學院， 哈爾濱 150076)

春融期土質路塹邊坡經常發(fā)生淺層滑塌。在新近滑塌的哈同公路土質路塹坡體附近取樣，測量邊坡滑塌時邊坡土體的含水率、黏聚力及內摩擦角等參數(shù)的變化，并研究土體抗剪強度隨深度的變化規(guī)律。通過數(shù)值模擬，分析土質邊坡自凍結開始至春融期全部融化約200 d的溫度變化規(guī)律。結果表明：隨著深度的增加，含水量先增加后降低，土體抗剪強度呈先減小后增加的趨勢，在融化界面處土體基本達到飽和狀態(tài)，抗剪強度極低；邊坡達到最大凍結深度后，自坡面開始向坡體內部融化，至一定深度時坡體發(fā)生破壞。該研究成果對春融期土質路塹邊坡滑塌治理具有重要的指導意義。

土質邊坡； 凍融滑塌； 邊坡穩(wěn)定性； 數(shù)值模擬

0 引 言

我國季節(jié)性凍土分布較為廣泛，受西伯利亞冷空氣影響，我國東北部地區(qū)冬季較長，春季早晚溫差較大，尤其黑龍江省境內，春融期凍融循環(huán)現(xiàn)象明顯，在春融期，土質路塹邊坡經常發(fā)生凍融淺層滑塌現(xiàn)象。對于黏性土體，春融期邊坡解凍融化，其內部冰晶 體融化水分較難排出，更多的含在黏土層內部，導致黏土層內部某處達到飽和，抗剪強度迅速下降，在有風荷載或震動荷載等作用下，極易發(fā)生滑落?；粌H降低了公路沿線的美觀，而且嚴重危害路基的使用壽命。因此，有必要對該類環(huán)境條件下土質邊坡春融期發(fā)生淺層滑塌進行研究，以期發(fā)現(xiàn)產生滑塌的一般規(guī)律，并對此找到更為合理的防治措施。

文中以同三公路哈爾濱至佳木斯段某處路塹邊坡為例，介紹邊坡發(fā)生淺層滑塌的原因，采用數(shù)值分析軟件GEO-studio分析路塹邊坡的溫度變化分布情況，給出其一般的滑動規(guī)律。

1 淺層滑塌研究現(xiàn)狀

對于土質邊坡淺層滑塌的現(xiàn)象，國內外學者對此進行了大量的研究。葉萬軍等[1]對洛川黃土邊坡剝落病害產生機理進行實驗研究，得出土體經過反復凍融循環(huán)導致強度弱化，經過凍融循環(huán)10次左右，土體的力學參數(shù)趨于穩(wěn)定。土體凍結時，坡體內水分向凍結面處遷移；土體融化時，過多的水分附存在凍融界面處，軟化界面土體強度。夏瓊等[2]對蘭新鐵路路基凍結過程中的水分遷移及凍脹規(guī)律進行實驗研究，認為土凍結后發(fā)生水分重分布。在封閉系統(tǒng)下，凍結后土體上部含水量較大，下部較?。欢陂_放系統(tǒng)中，土樣凍結后上、下部含水量均有所增加。葛琪等[3]對黏性土邊坡凍融界面的抗剪強度參數(shù)衰減進行研究，利用最小二乘法擬合出經歷n次凍融循環(huán)后的黏性土抗剪強度參數(shù)cn和φn隨凍融循環(huán)次數(shù)n的函數(shù)關系：

cn=c0×(0.345×e0.28+0.64)，

(1)

φn=φ0×(0.412×e0.214n+0.60)，

(2)

式中：c0、φ0——未經歷凍融循環(huán)時的土體抗剪強度值。

黑龍江地區(qū)春融期晝夜溫差較大，春融期間幾乎每個晝夜均發(fā)生凍融循環(huán)，由式(1)、(2)可估計n次循環(huán)后的強度參數(shù)。武鶴等[4-6]對寒區(qū)土質邊坡凍融滑塌影響因素進行研究，認為融化土體的黏聚力、內摩擦角以及融化深度對安全系數(shù)影響顯著，當坡體融化至一定深度時，凍融界面飽和土體抗剪強度小于上覆土體下滑力時邊坡發(fā)生滑塌。王寧等[7]研究了凍融循環(huán)對季節(jié)凍土區(qū)黃土路塹邊坡的影響，得出凍融循環(huán)或由凍融循環(huán)所引起的干濕循環(huán)是導致黃土強度損失的主要原因。胡偉等[8]研究凍融循環(huán)對蘭州黃土邊坡穩(wěn)定性的影響因素，認為凍融循環(huán)后邊坡自穩(wěn)過程所產生的位移明顯大于凍融前，且位移量隨著土體干重度的增加而越趨明顯。李航等[9]對凍融循環(huán)作用下路基邊坡穩(wěn)定性變化進行研究，認為由于凍融循環(huán)作用改變路基邊坡的土體力學性質，從而影響路基邊坡的穩(wěn)定性，邊坡安全系數(shù)將隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，其變化趨勢與黏聚力的變化相近。以上研究，均是集中在對凍融循環(huán)條件下土工實驗或數(shù)值模擬結果方面，少有考慮現(xiàn)場條件下邊坡滑塌的抗剪強度變化及溫度從入凍至春融邊坡溫度場情況。因此，該問題的研究對進一步認識春融期邊坡滑塌及防治措施極為重要且不可或缺。

2 凍融淺層滑塌機理

同三公路佳哈段K523—K524處由于公路設計需要，修筑了大量的路塹邊坡，邊坡的高度一般為2～5 m，該路段春融期發(fā)生邊坡淺層滑塌的幾率較高，課題組選取其中一個新近滑塌的邊坡為研究對象，滑塌邊坡如圖1所示。邊坡為粉質黏土，坡高約4 m，坡率為1∶1.5(33.7°)。其幾何模型如圖2所示。

圖1 路塹邊坡滑塌

圖2 邊坡滑塌幾何模型

2.1 溫度變化分布

對于黑龍江地區(qū)，凍結深度自南向北，由東南向西北逐漸加深，最大凍結深度為2.2 m，地面凍結日期一般為11月中旬，穩(wěn)定解凍日期為第二年4月中旬。在此環(huán)境下修筑的道路邊坡無一不受冬季凍脹春季融沉的影響，尤其對于土質邊坡來說凍融引起的淺層滑塌現(xiàn)象很常見。溫度變化范圍選取當年的10月1日至次年的4月30日共計212 d。其日平均溫度(θ)變化如圖3所示。

圖3 平均溫度隨時間變化

2.2 采樣土實驗

為了分析邊坡滑塌的原因，在所選取的滑坡體左右兩側附近進行定深取樣，取樣深度為自地表向下每間隔10 cm取樣一次。測其含水率w變化關系，如圖4所示。對邊坡土樣進行三軸壓縮實驗測得土樣的黏聚力、內摩擦角，實驗結果如圖5所示。

圖4 含水率沿取樣深度變化

Fig. 4 Relation curves between change rate of water content of loess samples vs depth

由圖4可以看出，含水率隨著取樣深度的增加，呈先增大后減小的趨勢，在取樣深度為40 cm處含水率最大達32.1%。圖5為取樣點處土體黏聚力、內摩擦角三軸壓縮實驗結果，可以看出，隨著含水率的增加，黏聚力、內摩擦角呈先增加后減小強趨勢，且當含水率大于27%時，飽和度Sr>0.97。

a 黏聚力與含水率關系

b 內摩擦角與含水率關系

Fig. 5 Cohesion, internal friction angle with water content changed diagram

2.3 抗剪強度變化

對于某個特定的邊坡其穩(wěn)定性完全取決于邊坡巖土體的抗剪強度。邊坡滑動面上抗剪強度表達式：

τ=c+γhtanφ，

(3)

式中：τ——剪應力；c——黏聚力；γ——土的重度；φ——內摩擦角；h——邊坡高度。

根據(jù)式(3)可以得出抗剪強度隨邊坡坡面深度變化關系，如圖6所示。

由圖6可以得出，隨著邊坡融化深度的增加，邊坡土體抗剪強度先減小而后增加，邊坡30～50 cm處，土體基本達到飽和狀態(tài)，其抗剪強度較小，上部土體極易發(fā)生淺層滑塌。

圖6 抗剪強度隨深度變化

3 數(shù)值模擬

采用GEO-studio軟件對邊坡模型進行數(shù)值模擬。土質邊坡春融期發(fā)生淺層滑塌，主要由溫度場的變化影響改變滲流場與應力場的變化，而三場的耦合作用絕不僅僅是三場分別作用的線性疊加結果，而是三者相互影響相互作用的結果。邊坡模型的溫度邊界條件如圖3所示，采用temp模塊進行計算。

3.1 模型及參數(shù)

數(shù)值計算采用二維平面模型，邊坡高為4.0 m，邊坡長度為6.0 m，坡率為1∶1.5(坡角約為33.7°)。模型整體高為10 m，長度為30 m。邊坡土體力學參數(shù)及幾何參數(shù)見表1。

表1 土質邊坡力學及幾何參數(shù)

3.2 模擬計算結果

為了使數(shù)值計算結果更具有說服性，土質邊坡模擬計算的時間從10月1日至次年4月30日，共計212 d，即模擬邊坡從正溫度逐漸為負溫度再到春融期邊坡發(fā)生融化這一整個凍結融化過程。其中，哈爾濱地區(qū)晝夜溫差較大，春融期時間較長，白天邊坡發(fā)生融化，而夜晚溫度驟降,邊坡表面重新凍結。其凍融循環(huán)次數(shù)較大，故土體凍融界面抗剪強度參數(shù)變化較小。模擬結果如圖7所示。

圖7為10月1日至次年4月30日溫度變化對邊坡溫度場的影響。圖7a為初始溫度場，可以看出，在起算時間上地表溫度為正值，溫度等值線為自地面向坡體內部不斷減小。圖7b為21 d后(10月21)邊坡溫度分布，可以看出，地表溫度逐漸變?yōu)樨?/p>

a 初始溫度場

b 21 d后溫度分布

c 50 d后溫度分布

d 145 d后溫度分布

e 187 d后溫度分布

Fig. 7 Initial temperature field and temperature distribution at different time

溫度，而坡體內溫度由于初始溫度的影響，在其內部儲存一定溫度未完全釋放，故坡體內部溫度高于坡面溫度。圖7c為50 d后(11月19日)邊坡溫度變化，可以明顯地看出，地表溫度處于負溫度，地表以下0.5 m深度處為正負溫度交界面。而坡體內部仍殘留初始溫度，較圖7b的溫度值有所下降。圖7d為145 d后(次年2月22日)邊坡溫度等值線，可以看出，邊坡表面處于穩(wěn)定的負溫度場，邊坡的最大凍結深度可達2.0 m，這與哈爾濱地區(qū)平均年最大凍結深度基本一致。圖7e為187 d后(次年4月5日)邊坡溫度變化，可以看出，隨著春融期外界溫度的升高，邊坡地表溫度逐漸變?yōu)檎郎囟?，坡體表面開始融化，比較圖7d可以看出，隨著外界溫度的升高，最大凍結深度沒有發(fā)生變化，得出春融期邊坡的融化由坡面開始逐漸向坡體內部進行。

圖8為土質邊坡不同深度處溫度隨時間變化關系，其中地表處溫度變化與邊界條件(圖3)溫度變化基本一致，從四個點處的溫度變化可以看出，入冬期隨著外界溫度降低，邊坡體自表面起溫度變化逐漸變小，地表處變化最敏感。進入春融期外界溫度回升，坡體內溫度逐漸上升，邊坡自坡面開始逐漸融化。邊坡表面以下2.0 m深度處，最低溫度可達0 ℃，得出邊坡最大凍深約2.0 m，其后溫度變化越不敏感。

圖8 邊坡溫度隨時間變化關系曲線

圖9為邊坡滑移面及安全系數(shù)，可以得出，在春融期坡體表面融化，巖土體力學參數(shù)明顯降低，安全系數(shù)為0.95，邊坡極易發(fā)生淺層滑塌。

圖9 邊坡滑移面及安全系數(shù)

4 結 論

(1)春融期土質邊坡含水率隨著深度的增加而呈先增大后減小的趨勢，含水率最大可達飽和狀態(tài)。

土體黏聚力、內摩擦角隨著含水率的變化，亦呈先增加后減小趨勢。根據(jù)取樣位置處得出，邊坡土體抗剪強度隨取樣深度的增加呈先減小后增加的趨勢，在30～50 cm處抗剪強度較小。

(2)寒區(qū)土質邊坡溫度自入冬至第二年開春，坡體溫度隨氣候溫度變化由地表正溫變化至負溫，達到最大穩(wěn)定凍結深度后，隨著溫度的回升，自坡面向坡體內部逐漸融化，凍融界面處其抗剪強度較低，邊坡極易發(fā)生淺層滑塌現(xiàn)象。

(3)通過對春融期邊坡滑塌的內在機理分析，結合數(shù)值模擬計算結果，推薦以種植喜濕深根植物(柳樹條)為宜，作為土質邊坡淺層滑塌的防治措施。

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(編輯 晁曉筠 校對 荀海鑫)

Mechanism behind shallow landslide in freezing-thawing siol slope in seasonal frozen region and its numerical simulation

WuHe1,2，LiuYingying3，GeQi1

(1.College of Civil & Architectural Engineering， Heilongjiang Institute of Technology， Harbin 150050， China；2.Faculty of Engineering, China University of Geosciences, Wuhan 430074, China； 3.College of Civil &Architectural Engineering， Harbin Far East Institute of Technology, Harbin 150076， China)

This paper is aimed at addressing the shallow collapse in the soil slope in Harbin-Tongjiang highway in spring thawing period by experimenting on the cutting slope. The study involves investigating the soil samples near the slide body, and measuring the water ratio, cohesion, internal friction angle, and other parameters, determining the law behind the changing shear strength of the soil with depth, and using the numerical simulation to identify the law underlying the temperature variation in soil slopes over 200 days ranging from freezing to all melting in the spring thawing period. The results demonstrate that the depth increase leads to an initial increase and a subsequent decrease in water content first; there is an initial decrease and a subsequent increase in the soil shear strength, and a basic saturation state in the soil at the melting interface of soil, suggesting a very low shear strength; and the the maximum slope frozen depth is followed by the melting from soil slope to the inside, until a failure in a certain depth. The research could provide a reference for the slope collapse control of soil cutting slope during spring thaw period.

soil slope； freezing-thawing sliding collapse； slope stability； numerical simulation

2017-04-17

黑龍江省自然科學基金項目(E201117)

武 鶴(1963-)，男，黑龍江省鶴崗人，教授，碩士，研究方向：道路工程與冰凍防治技術，E-mail:hgcwuhe@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.012

U416.13

2095-7262(2017)05-0503-05

A