張俊巍，田榮燕，薛現(xiàn)凱，馬老二

(西藏大學(xué)工學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

西藏拉薩地區(qū)凍融作用對(duì)溜砂坡天然休止角的影響

張俊巍，田榮燕，薛現(xiàn)凱，馬老二

(西藏大學(xué)工學(xué)院，西藏 拉薩 850000)

在考慮拉薩地區(qū)周邊主要道路沿線廣泛分布的凍融現(xiàn)象基礎(chǔ)上，探究了溜砂坡在有無(wú)凍融作用下，粒徑不同和顆?；祀s程度均勻，且伴隨著含水率增大的情況，凍融作用對(duì)于砂坡天然休止角的影響。試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)與對(duì)比分析表明：粒徑相對(duì)較小的砂坡對(duì)凍融作用的抵抗能力較強(qiáng)，顆粒混雜程度均勻(級(jí)配好)的砂坡也對(duì)凍融作用具有較強(qiáng)的抵抗能力；同時(shí)凍融會(huì)增加斜坡失穩(wěn)的不確定因素。

凍融；溜砂坡；天然休止角；含水率

0 引言

溜砂坡是一種易發(fā)生在干旱及半干旱、寒冷和高海拔地區(qū)的特殊坡體。高陡斜坡上部物源區(qū)基巖主要經(jīng)風(fēng)化作用形成碎屑狀顆粒，在重力以及其他外力作用下，沿坡面溜動(dòng)，堆積于坡腳日積月累而形成持續(xù)增長(zhǎng)型的錐形坡體[1-3]。這類由松散顆粒所構(gòu)成的特殊斜坡因其坡體內(nèi)細(xì)顆粒含量很少，粘聚力通常不予考慮，其穩(wěn)定性主要依靠顆粒間的摩擦力和咬合力維持[4-5]，因此該類斜坡實(shí)際上屬于無(wú)粘性的散粒體堆積物的一種類型，位移形式不是滑移而是直接流動(dòng)或滾動(dòng)，所以該類型斜坡的破壞與滑坡、崩塌、落石(滾石)有明顯區(qū)別。溜砂坡既無(wú)滑動(dòng)面也無(wú)破裂壁，堆積物較均勻，堆積坡度與此種砂粒(碎屑)的天然休止角一致[5-6]，所以對(duì)散粒體斜坡失穩(wěn)機(jī)制的研究應(yīng)不局限于常規(guī)公路沿線地質(zhì)災(zāi)害的研究思路。此類松散堆積物還會(huì)在合適的地形及充足的水源條件下，形成較大規(guī)模的泥石流，對(duì)道路安全危害大[7-8]。

2003年，文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)川藏公路中壩段溜砂坡形成機(jī)理分析、砂粒級(jí)配和抗剪強(qiáng)度分析得出砂粒的起動(dòng)受控于砂坡的天然休止角的結(jié)論——砂坡坡度>天然休止角就會(huì)發(fā)生溜坡，反之則不會(huì)發(fā)生溜坡；2004年，文獻(xiàn)[10]根據(jù)自組織臨界性理論(Self-organized Criti-cality,簡(jiǎn)稱SOC)的沙堆模型，進(jìn)行了干燥砂石臨界單面坡坍塌試驗(yàn)，得出非均勻度較大的散粒體系統(tǒng)，發(fā)生塌滑的概率較小的結(jié)論。2006年，文獻(xiàn)[11]進(jìn)行了溜砂坡室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，研究了起動(dòng)條件，含水率和砂粒粒徑等條件與休止角的關(guān)系。2013年，文獻(xiàn)[12]在此前研究的思路上更加細(xì)致的研究了粒徑大小、顆粒粗細(xì)混雜程度和顆粒不均勻程度等因素對(duì)散粒體斜坡穩(wěn)定性的影響。

凍融侵蝕是拉薩地區(qū)最主要土壤侵蝕類型。其行政區(qū)內(nèi)還分布有強(qiáng)凍融侵蝕地區(qū)，如林周縣、當(dāng)雄縣(G109途經(jīng))、墨竹工卡縣(G318途經(jīng))、堆龍德慶縣(G109、G318途經(jīng))[13]。故本文在參考國(guó)內(nèi)研究影響溜砂坡天然休止角因素的思路與結(jié)論的基礎(chǔ)上，探討凍融作用對(duì)于拉薩市周邊道路沿線溜砂坡天然休止角的影響。

1 工程地質(zhì)狀況

1.1地形特征

研究段位于拉薩市區(qū)以北7 km的奪底鄉(xiāng)，地理坐標(biāo)北緯29°43.1′，東經(jīng)91°9.6′。屬盆地地貌，地形標(biāo)高3 750～3 900 m，山峰海拔在4 600～4 912 m。斜坡上部為裸露巖層，坡度50°～85°；中、下部為松散花崗巖堆積區(qū)，坡度30°～42°。

1.2地層巖性

該處第三系巖漿活動(dòng)較為活躍，出露的花崗巖為第三系黑云母花崗巖及黑云母花崗閃長(zhǎng)巖[14]。裸露巖層經(jīng)過(guò)水的長(zhǎng)時(shí)間浸泡或者酸性雨水的侵蝕，破壞了花崗巖內(nèi)部的粒徑組成[15]。同時(shí)因坡體表面植被稀疏，生態(tài)環(huán)境脆弱，地表水侵蝕作用嚴(yán)重，加劇了對(duì)巖體的風(fēng)化侵蝕，溜砂坡的形成和發(fā)育提供了充分物質(zhì)來(lái)源及環(huán)境條件。斜坡中、下部已形成較大規(guī)模的松散花崗巖堆積區(qū)，厚度30～80 cm。

1.3氣候及植被特征

研究區(qū)屬于高原溫帶半干旱季風(fēng)氣候，氣候條件惡劣，晝夜及季節(jié)溫差較大，夏季溫暖短暫，降水較多，冬季寒冷干燥；由于太陽(yáng)輻射較強(qiáng)，蒸發(fā)強(qiáng)烈，氣候極為干燥。歷史最高氣溫為29.6 ℃，最低氣溫為-16.5 ℃，年平均氣溫為7.4 ℃，降雨量集中在6～9月份，年降水量為200～510 mm，全年日照時(shí)間30 000小時(shí)以上。

2 研究區(qū)砂坡的基本特征

2.1砂坡地形特點(diǎn)

溜砂坡下部距公路內(nèi)側(cè)10 m高處修建有寬3 m的護(hù)坡道，上部砂坡延伸至裸露花崗巖巖層。相對(duì)高差180 m左右，砂坡的天然堆積坡度為30°～41°。

2.2砂坡的礦物組成與粒度成分

該處溜砂坡粒度成分受控于斜坡上部物源區(qū)裸露巖層的風(fēng)化后堆積物。裸露花崗巖物理風(fēng)化較強(qiáng)，黏粒含量少。砂坡上部多為中、粗砂；中部多為粗砂、細(xì)礫；下部多為粗砂、細(xì)礫。取樣篩分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 溜砂坡顆粒級(jí)配 單位：%Table 1 Grain composition of sand-sliding slopes

3 試驗(yàn)材料

3.1粒組分布情況

分別隨機(jī)在研究區(qū)溜砂坡(1#)與同地區(qū)碎石坡(2#)采集試驗(yàn)材料，探究其粒組分布情況。溜砂坡粒徑分布多為0.25～2 mm，碎石坡粒徑分布多為0.5～5 mm。試驗(yàn)材料的顆粒分選性見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)材料粒組情況 單位：%Table 2 The fraction of test material

3.2試驗(yàn)樣品制備

將現(xiàn)場(chǎng)采集的溜砂坡砂樣分別按粒徑0.5～2 mm、0.25～0.5 mm和0.075～0.25 mm篩分成粗砂、中砂、細(xì)砂共3種砂樣。烘干后，將三種砂樣的含水率分別設(shè)定為0%、3%、6%、9%、12%、15%(粗砂含水率達(dá)到15%，中砂達(dá)到18%，細(xì)砂達(dá)到21%以后，砂樣基本處于飽和狀態(tài)，超出本試驗(yàn)范圍，但考慮到砂樣所在地實(shí)際情況，本次研究的試驗(yàn)含水率上限值均設(shè)為15%)的狀態(tài)下分別進(jìn)行試驗(yàn)；按照有效粒徑為0.25 mm，配置Cu=6，Cc=1.5級(jí)配良好的砂樣用以4.3(2)試驗(yàn)。

4 堆積試驗(yàn)

目前該種試驗(yàn)方法已得出結(jié)論(均為單一變量)：(1)對(duì)于相同角度的坡體，顆粒小的坡體抗失穩(wěn)能力小于顆粒大的坡體[4,11]； (2)顆粒均勻程度較大的坡體抗失穩(wěn)能力較大[4,10,13]；(3)含水率對(duì)休止角影響較大，含水率增大時(shí)斜坡的休止角增大，當(dāng)含水率增大到一定量時(shí)，邊坡的休止角將不在增大，易發(fā)生斜坡失穩(wěn)[16-17]。

本文在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，結(jié)合凍融作用，設(shè)計(jì)如下試驗(yàn)。

4.1試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)采取自制斜坡模型試驗(yàn)裝置(圖1)測(cè)量其天然休止角，模型的上半部AB段坡度為60°，大于一般溜砂坡天然休止角；下半部BC段為模擬坡腳緩傾段，其坡度為15°。試驗(yàn)操作：第1步關(guān)閉A處閥門，將沙粒裝滿裝砂漏斗(模擬物源區(qū))；第2步打開(kāi)漏斗閥門，砂粒從閥門通道向下滑動(dòng)，在B處附近開(kāi)始堆積形成堆積體(模擬堆積區(qū))；第3步待砂坡穩(wěn)定后測(cè)定堆積體角度，即為天然休止角。

圖1 試驗(yàn)裝置

4.2堆積試驗(yàn)

不同粒徑砂坡的休止角與含水率的關(guān)系

將圖1所示實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭糜趦鋈谘h(huán)箱中(凍融循環(huán)箱未開(kāi)機(jī))，依照4.1中試驗(yàn)方法對(duì)三種砂樣在不同含水率狀態(tài)下分別進(jìn)行堆積試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖2。從中可知，三種砂樣的休止角隨含水率變化的總體趨勢(shì)變化，即隨著含水率的增大，砂樣的休止角也會(huì)相應(yīng)增大，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度(含水率到12%后)，增大趨勢(shì)明顯減弱，趨于平緩。

圖2 不同粒徑的含水率與休止角的關(guān)系

4.3凍融堆積試驗(yàn)

如4.2中三種砂樣分別進(jìn)行在不同含水率狀態(tài)下的堆積試驗(yàn)，同時(shí)凍融循環(huán)箱開(kāi)機(jī)，進(jìn)行每24 h一次的冷凍與熱融交替循環(huán)堆積試驗(yàn)，并測(cè)定其天然休止角變化情況，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3～5。

(1)凍融條件下不同粒徑的砂坡的休止角與含水率的關(guān)系

圖3 凍融條件下粗砂含水率與休止角的關(guān)系

圖4 凍融條件下中砂含水率與休止角的關(guān)系

圖5 凍融條件下細(xì)砂含水率與休止角的關(guān)系

對(duì)比分析圖3、圖4以及圖5可知：總體數(shù)據(jù)表明，凍融作用對(duì)粗砂堆與中砂堆的影響較大，對(duì)細(xì)砂堆的影響較小，但只有當(dāng)砂堆含水率達(dá)到一定程度時(shí)，凍融才開(kāi)始凸顯作用，隨著含水率的增大，當(dāng)含水率達(dá)到一定程度時(shí)，凍融對(duì)砂堆休止角影響明顯減弱。同時(shí)，局部數(shù)據(jù)反映：①對(duì)粗砂：含水率在6%～12%時(shí)凍融具有作用，且在含水率9%～12%其作用效果最明顯；②對(duì)中砂：含水率在0%～12%時(shí)凍融具有作用，且在含水率3%～9%其作用效果最明顯；③對(duì)細(xì)砂：凍融對(duì)砂堆天然休止角有一定作用，但與粗砂、中砂橫向比較而言，作用效果不明顯。

(2)凍融條件下顆粒混雜程度均勻砂坡的休止角與含水率的關(guān)系

將3.2中制備的實(shí)驗(yàn)樣品按4.3(1)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。探究含水率增大的情況下，凍融作用對(duì)于顆?；祀s程度均勻砂坡的休止角的影響。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。凍融對(duì)顆?；祀s程度均勻(級(jí)配好)的砂堆仍具有一定作用，但其抵抗能力優(yōu)于粗砂堆與中砂堆，在含水率9%～12%時(shí)，凍融作用對(duì)此種砂堆的影響趨于穩(wěn)定。

圖6 凍融條件下顆?；祀s程度均勻的砂樣休止角與含水率的關(guān)系

5 試驗(yàn)結(jié)果與斜坡凍融破壞對(duì)比分析

野外典型碎石斜坡破壞特點(diǎn)：斜坡淺表層破壞[18-19]；斜坡散粒體物質(zhì)的堆積[18-20]；斜坡蠕變變形[21-22]。拉薩周邊主要道路沿線溜砂坡受凍融作用，均不同程度存在上述特點(diǎn)(包括研究區(qū))。

凍融對(duì)斜坡淺層的影響方面。溜砂坡的上部物源區(qū)裸露基巖在經(jīng)受反復(fù)凍融作用后，進(jìn)一步加深其碎化程度，在重力作用下加快斜坡中、下部松散巖體堆積；同時(shí)，凍融的作用在一定程度會(huì)降低粗顆粒啟動(dòng)的臨界條件，增加斜坡失穩(wěn)的可能性。

凍融對(duì)斜坡內(nèi)部顆粒物理特征方面。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)砂堆的縱剖面分析，反復(fù)凍融均對(duì)砂堆淺層影響較大，致使斜坡整體反生“蠕變效應(yīng)”。同時(shí)凍脹作用破壞粗顆粒間的相互咬合與“骨架效應(yīng)”，致使粗顆粒砂堆的天然休止角的反復(fù)變化劇烈，而級(jí)配良好的砂堆對(duì)凍融作用的抵抗力較強(qiáng)，天然休止角反復(fù)變化程度較小，這與上節(jié)試驗(yàn)結(jié)果是相互吻合的。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果與野外典型碎石斜坡凍融破壞機(jī)理的對(duì)比研究，可得出以下的結(jié)論和認(rèn)識(shí)：

(1)在含水率變化都趨于相同的條件下，顆?；祀s程度均勻(級(jí)配好)的斜坡凍融作用的抵抗能力較強(qiáng)。

(2)砂粒的天然休止角控制溜砂坡運(yùn)動(dòng)，沿拉薩周邊主要道路分布溜砂坡休止角大多在32°～41°。砂粒粒徑與斜坡含水率是影響顆粒天然休止角的主要因素，同時(shí)含水率也影響凍融作用。經(jīng)上述試驗(yàn)結(jié)果綜合分析可知，隨含水率增長(zhǎng)，凍融對(duì)砂坡天然休止角的影響一直存在，在含水率6%～12%作用效果較大。

(3)凍融作用會(huì)打斷砂坡的天然休止角隨含水率增大而增大的趨勢(shì)，增加了天然休止角隨含水率增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的不可預(yù)測(cè)性，且破壞坡體內(nèi)部顆粒之間的相互咬合。故在凍融作用明顯的地區(qū)，如對(duì)散粒體斜坡坍滑面按角度經(jīng)驗(yàn)公式：α=θmax計(jì)算時(shí)，應(yīng)更為保守一些。

綜上所述，由于凍融因素存在的影響，在凍融嚴(yán)重的地區(qū)，對(duì)風(fēng)化程度高、規(guī)模大的散粒體斜坡應(yīng)采取適當(dāng)?shù)谋O(jiān)控措施，控制好斜坡穩(wěn)定因素，減少其失穩(wěn)破壞的可能性。

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封面照片說(shuō)明

Effectsoffreezing-thawingonangleofreposeofsandslopeinLhasaarea,Tibet

ZHANG Junwei，TIAN Rongyan，XUE Xiankai，MA Laoer

(SchoolofEngineering,TibetUniverty,Lhasa，Tibet850000,China)

By considering freezing and thawing surrounding the widely distributed along the main road in the Lhasa area, in the case of different particle size and uniform degree mixed of particle and along with the increasing moisture content, freezing and thawing was studied for the impact of natural sand slope angle of repose of sand-sliding slope.The test results and comparative analysis show that the sand slope with smaller particle size and uniform particle mixing degree have stronger resistance to freezing and thawing.The uncertainty of slope instability is increased by the freezing and thawing conditions.

freeze-thaw; sand-sliding slope;natural angle of repose;water content

TU457

A

1003-8035(2017)03-0046-06

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.03.07

2016-08-07;

2016-10-27

西藏自治區(qū)重點(diǎn)科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z2014A19G2-11)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(20150694019)

張俊巍(1994-)，男，四川廣漢人，本科，主要研究方向?yàn)榈缆费鼐€災(zāi)害。E-mail:736671777@qq.com

田榮燕(1980-)，女，重慶長(zhǎng)壽人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)榈缆费鼐€災(zāi)害。E-mail:21675279@qq.com