王國愛 曹 君 杜耀輝

(1.定西市交通工程質(zhì)量監(jiān)督站，甘肅定西 743000；2.中鐵七局集團(tuán)路橋工程有限公司，陜西寶雞 721000；3.蘭州交通大學(xué)，甘肅蘭州 730070)

0 引言

路基邊坡作為道路工程的重要組成部分，其安全穩(wěn)定對道路建設(shè)、橋梁修筑具有重大意義。在西部開發(fā)過程中，會出現(xiàn)大量的寒區(qū)路基邊坡問題。我國寒區(qū)或高海拔地區(qū)，路基邊坡巖土體有水、冰的存在，形成季節(jié)性凍土，會經(jīng)歷高溫融化，低溫凍結(jié)現(xiàn)象[1-2]。若在施工時，對寒區(qū)路基巖土的水理性質(zhì)、物理力學(xué)性質(zhì)研究不深或者重視程度不夠，將會導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)、巖土體大面積滑塌和泥石流等危害[3-4]。

路基邊坡穩(wěn)定狀況受到多種因素影響，故其狀態(tài)有很強的不確定性，除了邊坡巖土體本身性質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，外界環(huán)境的擾動很大程度上影響了邊坡的穩(wěn)定狀況[5]。寒區(qū)路基邊坡失穩(wěn)的誘發(fā)因素與常溫地區(qū)有較大區(qū)別，大幅溫差和高頻率的相變過程，都是強烈的外界擾動，水冰相變的反復(fù)進(jìn)行，對邊坡的穩(wěn)定狀況具有較大的影響，但由于土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡的失穩(wěn)機(jī)理不同，凍結(jié)融化所造成的影響也有所不同[6-7]。在寒區(qū)，由于溫度環(huán)境較常溫地區(qū)特殊，路基邊坡巖土體的水理性質(zhì)也不盡相同，其物理力學(xué)性質(zhì)會有較大的改變，邊坡的穩(wěn)定狀況也會相應(yīng)改變[8]。

因此，由于環(huán)境溫度的影響，寒區(qū)路基邊坡的穩(wěn)定性與常溫地區(qū)邊坡的穩(wěn)定性有很大區(qū)別，研究寒區(qū)路基邊坡巖土體的水理性質(zhì)，分析巖土體內(nèi)部三相結(jié)構(gòu)的變化，進(jìn)一步分析其對路基邊坡的穩(wěn)定性影響，對充分認(rèn)識在寒區(qū)溫度變化劇烈的情況下路基邊坡穩(wěn)定性的變化特點，具有積極意義。

1 巖土的水理性質(zhì)

巖土的水理性質(zhì)是指巖土與水分的貯存和運移有關(guān)的性質(zhì)，主要包括容水性、持水性、給水性、透水性。不同的地下水在巖土中存在的形式不同，進(jìn)而對巖土水理性質(zhì)的影響也不同。巖土的水理性質(zhì)不僅會影響到巖土的強度和性狀,而且還會影響到路基邊坡的穩(wěn)定性。

(1)容水性

巖土的容水性是指巖土容納一定水的能力。由于巖土顆粒之間存在大量孔隙，孔隙比越大，容水量越多。巖土的容水性采用容水度表示。容水度是指巖土完全飽水時所能容納最大水的體積(Vw)與巖土總體積(V)之比，用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。一般來說其數(shù)值與孔隙度(巖溶率、裂隙率)相當(dāng)，但膨脹土的容水度大于孔隙度。

容水度：

θ=Vw/V×100%或θ=Gw/G×100%

(2)持水性

巖土的持水性指巖土體依靠分子引力和毛細(xì)力，在重力作用下，其能夠保持一定液態(tài)水的能力，常用持水度來表示。持水度是指受重力作用時巖土仍能保持的水的體積與巖土體積之比。持水度實際上表明巖土中結(jié)合水的含量。巖土顆粒表面面積愈大，結(jié)合水含量愈多，持水度愈大。顆粒細(xì)小的黏土，總表面積大，持水度就大，甚至可等于容水度。

(3)軟化性

軟化性是指巖土體在浸水后會降低巖土的力學(xué)強度的特性。軟化性是評價巖石耐風(fēng)化能力的主要指標(biāo)，常以軟化系數(shù)對其進(jìn)行表示。黏性土層、頁巖、泥質(zhì)砂巖、泥巖等巖土體，一般都存在軟化性，由于地下水的作用，在易軟化地段常有軟弱夾層生成，導(dǎo)致了巖土體的整體性和強度降低。

(4)脹縮性

脹縮性是指巖土體由于失水而收縮或吸水而膨脹的特性。巖土的脹縮性標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)有體縮率、膨脹率、收縮系數(shù)、自由膨脹率等。巖土體由于失水，會導(dǎo)致顆粒的間距變小，造成土顆粒表面的結(jié)合水膜變薄，從而使得巖土體收縮。浸水后的巖土體，其顆粒距離變大，導(dǎo)致了結(jié)合水膜的變厚，從而造成了巖土體的膨脹。巖土體的反復(fù)膨縮變形是導(dǎo)致路基穩(wěn)定性破壞的重要原因。

(5)崩解性

巖土的崩解性是指巖土體具有浸水而濕化的特性。巖土體內(nèi)有水浸入，造成對巖土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)顆粒之間連結(jié)削弱與破壞，還會造成巖土體內(nèi)部的少量膠結(jié)物溶解。其次，水分子吸附于巖土塊的顆粒表面，在土塊表面形成的水化膜削弱了土顆粒的連結(jié)作用，進(jìn)一步造成巖土體顆粒崩散、解體。巖土體的崩解性主要與巖土體的礦物組成、顆粒成分及其結(jié)構(gòu)有關(guān)。

(6)給水性

巖土的給水性指巖土中保持的水在重力作用下能夠自由流出一定數(shù)量水的能力，常用給水度μ表征，指巖土給出的水量與巖土體積之比值，給水度在數(shù)值上等于容水度減去持水度。

給水度μ=V出水/V×100%

給水度的大小直接受到巖土的物理性質(zhì)的影響，且與巖土的有效孔隙率(常用百分?jǐn)?shù)表示)在數(shù)值上相當(dāng)。給水度不僅與巖性有關(guān)，而且與顆粒級配、空隙發(fā)育程度等相聯(lián)系。給水度的大小在很大程度上可以反映巖土體透水性的好壞。

(7)透水性

透水性指巖土能使水滲透、通過的性能。通常用滲透系數(shù)表示?？紫兜拇笮『投嗌贈Q定著巖土透水性的好壞，但兩者的影響并不相等，孔隙大小經(jīng)常起主要作用。滲透系數(shù)的大小首先決定于孔隙的大小、形狀、多少、連通程度。在孔隙大的條件下，有效孔隙度大，重力水占有較大比例，透水性好?？紫吨睆接?，有效孔隙度相應(yīng)也小，結(jié)合水占有較大比例，而重力水只占很小的比例，因而透水性較差。顆粒的分選性不僅決定著巖土的孔隙大小，而且還控制著孔隙通道的孔徑分布和滲透途徑的曲折性。

2 寒區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性影響分析與失穩(wěn)類型

由于寒區(qū)環(huán)境復(fù)雜，巖土體會經(jīng)歷凍融循環(huán)并經(jīng)歷凍結(jié)和融化過程。凍融循環(huán)過程、凍結(jié)融化過程都會較大程度改變巖土體性質(zhì)，從而對邊坡穩(wěn)定性狀況產(chǎn)生影響。因此，溫度和水對巖土體的影響主要取決于凍結(jié)融化狀態(tài)。

2.1 凍融循環(huán)對邊坡穩(wěn)定性影響分析

在寒區(qū)，路基邊坡巖土體受到凍融循環(huán)影響，凍融循環(huán)會導(dǎo)致巖土體強度下降，從而使邊坡穩(wěn)定性降低。凍融循環(huán)下影響巖土體性質(zhì)的因素較多，主要包括以下幾種：巖土性質(zhì)、水、巖土體的孔隙率(含水率)、凍融循環(huán)次數(shù)、凍融周期(凍融頻率)、溫度以及融化后土體飽和度等。圖1和表1為某熔結(jié)凝灰?guī)r單次凍融循環(huán)后初始飽和度與單軸抗壓強度關(guān)系[9]。

圖1 某熔結(jié)凝灰?guī)r初始飽和度與單軸抗壓強度關(guān)系(單次凍融循環(huán))[9]

表1 某熔結(jié)凝灰?guī)r初始飽和度與單軸抗壓強度關(guān)系(單次凍融循環(huán)) [9]

(1)巖土性質(zhì)

巖土體性質(zhì)，包括礦物成分、成分組成、結(jié)構(gòu)、顆粒膠結(jié)類型等，這些屬性對巖土體凍融損傷劣化程度起著重要影響。一般來說，礦物顆粒越致密，結(jié)構(gòu)間膠結(jié)越強，礦物成分越穩(wěn)定，則其在經(jīng)歷凍融循環(huán)后，損傷程度較小，反之，損傷程度較大。

(2)水

水對路基邊坡巖體穩(wěn)定性的影響不僅是多方面的而且是非?；钴S的。由于巖土顆粒之間存在較多孔隙，其滲透性增大，降雨積存、河流沖刷及地下水位上升等水的浸入，造成對巖土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)顆粒之間黏結(jié)被破壞以及少量膠結(jié)物溶解，導(dǎo)致巖土體軟化或崩解。其次，水分子吸附于巖土塊的顆粒表面，在土體顆粒表面形成的水化膜削弱了顆粒間的連結(jié)作用，并且?guī)r土顆粒表面面積愈大，結(jié)合水含量愈多，進(jìn)一步造成巖土體強度降低，甚至崩散、解體。同時，當(dāng)水位下降時，由于巖土體失水，造成顆粒間距變小，巖土體顆粒表面結(jié)合水膜變薄，巖土體產(chǎn)生收縮，而浸水后又產(chǎn)生膨脹，其反復(fù)的脹縮變形，導(dǎo)致路基巖土體顆粒之間黏聚力下降(見表2、圖2)，造成巖土體強度降低[10]。在車輛荷載反復(fù)作用下，導(dǎo)致路基沉降、邊坡失穩(wěn)等災(zāi)害。

表2 含水量增加時土體黏聚力變化[10]

圖2 含水量增加時土體黏聚力變化[10]

(3)孔隙率(含水率)

巖土體的凍融損傷劣化主要是由水冰相變造成的。干燥狀態(tài)時，幾乎不受凍融循環(huán)的影響，當(dāng)含水率超過該臨界值后，巖土體的凍融損傷明顯。巖土體的凍融損傷劣化主要是因為在溫度下降超過相變區(qū)間后，孔隙中的自由水發(fā)生相變，體積略微增加，從而形成膨脹力，由于巖土體的抗拉強度較低，相變過程將導(dǎo)致裂隙擴(kuò)展。

(4)凍融循環(huán)次數(shù)和凍融循環(huán)周期

由于不同巖土體的耐久性不同，所以其受凍融次數(shù)和循環(huán)周期對本身的損傷劣化影響較大。不同巖土體，由于性質(zhì)不同，其抵抗循環(huán)凍融的能力不同；而對于同種巖土體，因凍融次數(shù)的不同，其強度也各不相同。相關(guān)試驗表明，凍融循環(huán)的周期越短，凍融循環(huán)次數(shù)越多，巖土體受凍融循環(huán)的影響越強烈。

(5)溫度

溫度的影響主要體現(xiàn)在對水的相變過程的影響以及在水相變化過程中的凍脹影響。凍融溫度的峰值決定著凍融范圍和不同范圍內(nèi)的凍融程度，凍融溫度振幅越大，巖土體中的水冰相變越充分。巖土體作為非均質(zhì)材料，各組分的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度差值較大的情況下，水相變過程中，各部位產(chǎn)生不同程度的膨脹，導(dǎo)致其損傷劣化。

2.2 融化過程對邊坡穩(wěn)定性影響分析

寒區(qū)環(huán)境中，路基邊坡巖土體要經(jīng)歷凍結(jié)和融化過程，相比于凍結(jié)和融化作用，水分相變過程所導(dǎo)致巖土體的強度變化更為顯著，特別是對于土質(zhì)邊坡，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，邊坡表層凍結(jié)部分開始逐漸融化，在含水量增大、重度增大的同時，由于水的存在，降低了巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，導(dǎo)致邊坡的安全系數(shù)下降，這與邊坡凍融層的融化深度密切相關(guān)。

在融化過程中，路基邊坡的穩(wěn)定性狀況不僅與融化深度有關(guān)，融化層中的飽和層范圍對穩(wěn)定性也有所影響，即隨著融化的進(jìn)行，飽和層增大，邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低。

2.3 寒區(qū)路基邊坡失穩(wěn)類型

寒區(qū)路基邊坡失穩(wěn)主要是由于水和溫度耦合作用引起巖土力學(xué)參數(shù)改變，主要形式有熱融滑塌、融凍泥流和凍融崩塌等。熱融滑塌多見于土質(zhì)邊坡，表層崩塌一般以巖質(zhì)邊坡為主。

(1)熱融滑塌

熱融滑塌是凍土區(qū)特有的失穩(wěn)形式，熱融滑塌一般是在外界擾動情況下導(dǎo)致，如車輛超載等，在擾動狀況下，路基邊坡淺層的熱平衡狀態(tài)被迅速破壞。融化后的水快速富集，融化土體迅速呈飽和狀態(tài)，抗剪強度急劇降低，在自重和車輛荷載作用下會沿凍結(jié)層下滑。該類型滑坡多發(fā)生于夏季融化期，具體形式見圖3。

圖3 熱融滑塌示意圖

(2)凍融崩塌

凍融崩塌多見于巖質(zhì)邊坡，對于巖質(zhì)邊坡，在存在孔隙情況下，雨水入滲凍結(jié)后體積膨脹，裂紋擴(kuò)展，融化后水分進(jìn)入新生成的裂隙中，在凍融循環(huán)下，邊坡則會發(fā)生崩塌失穩(wěn)，其失穩(wěn)過程見圖4。

圖4 凍融崩塌示意圖

(3)融凍泥流

融凍泥流主要由冰雪融化，水分沿邊坡快速流動，帶動邊坡表層巖屑一起沖刷溝床與斜坡，隨著松散巖屑越積越多，最終形成融凍泥流。

3 寒區(qū)路基邊坡穩(wěn)定性驗算分析

采用極限平衡法對路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行驗算分析。假定巖土體失穩(wěn)是因為滑塊沿滑動面發(fā)生滑動，并給定滑動面位置(平行于坡面)。將有滑動趨勢的巖土體分隔成小條塊，依據(jù)靜力平衡，分析邊坡在不同破壞模式下的受力狀態(tài)，并可計算出穩(wěn)定性系數(shù)Fs來評價邊坡穩(wěn)定性狀況。該方法缺點在于假設(shè)巖土體為剛性體，不考慮巖土體結(jié)構(gòu)本身的位移變形且對條塊間的作用力進(jìn)行簡化和假設(shè)。

假設(shè)路基邊坡飽水深度為mz(0≤m≤1)，m為浸沒比(見圖5)。

圖5 路基邊坡滑坡模型

圖中W為土條自重，U為水壓比，即：

W=[(1-m)γ+mγsat]bzcosα

(1)

U=γwbmzcosα

(2)

滑動面上的下滑力為：

F下滑力=Wsinα=[(1-m)γ+mγsat]bzcosαsinα

(3)

土條條底的有效作用力為：

N′=(W-U)cosα=[(1-m)γ+(γsat-γw)m]bzcos2α

(4)

F抗滑力=c′b+N′tanφ′

(5)

式中：γ為土體天然重度；γsat為飽和土重度；γw為水的重度；c′為內(nèi)摩擦角。

安全系數(shù)Fs可以表示為：

(6)

由式(6)可知，安全系數(shù)Fs是融化深度z的函數(shù)，由于融化深度是時間t的函數(shù)，隨著時間的推移，融化深度逐漸增大，安全系數(shù)逐漸減小，在融化深度達(dá)到最大凍結(jié)深度即z(t)=zmax，邊坡最不穩(wěn)定。

(7)

對于融化深度的取值，可采用溫度場模擬的方式求得。故安全系數(shù)Fs為：

4 結(jié)論

基于巖土的水理性質(zhì)以及寒區(qū)特殊的氣候條件，分析路基邊坡穩(wěn)定性的影響因素，尤其是水的液固相狀態(tài)(凍融循環(huán)、融化)對邊坡穩(wěn)定性的影響。寒區(qū)巖質(zhì)邊坡失穩(wěn)，主要由凍融循環(huán)引起，類型以凍融崩塌為主，巖石的凍融損傷主要取決于巖石本身性質(zhì)、初始孔隙率、凍融損傷次數(shù)和凍融溫度峰值。寒區(qū)土質(zhì)邊坡主要在融化期失穩(wěn)，是由于土中水的相變，含水量增大，重度增大，導(dǎo)致土體膨脹、軟化，降低了巖土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及強度，其邊坡的失穩(wěn)類型以熱融滑塌為主。通過對路基邊坡穩(wěn)定性驗算分析，寒區(qū)邊坡安全系數(shù)與融化深度和融化層飽和度密切相關(guān)。