多年冻土斜坡稳定性评价方法的探讨

沈宇鹏,吴 艳，许兆义,王连俊

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京 100044； 2.山东省临沂市兰山区水务局，山东临沂 276000)

1 概述

随着输油管道、青藏公路与青藏铁路的相继修筑,冻土工作者越来越重视研究多年冻土地区中边坡稳定性问题。在高温极不稳定冻土区(年平均地温Tcp高于-0.5℃)中,高含冻量和强降雨势必造成冻土斜坡更加不稳定,因此需要对此类地段上的边坡进行稳定性评价。

从青藏公路和青藏铁路不同时期的冻土工程地质调查,认为冻土斜坡失稳可以分为正冻土滑坡和正融土滑坡两种类型[1]。正融土滑坡包括融冻泥流、热融滑塌两种类型；正冻土滑坡包括蠕变型滑坡和崩塌型滑坡两种类型。热融滑塌是青藏高原多年冻土区特有的边坡失稳形式,滑动规模和速度远比一般滑坡小,但在多年冻土地区普遍存在,本文的边坡稳定性评价也针对这种常见的破坏形式。图1、图2分别是热融滑塌的整体图和热融滑塌前缘图。

图1 热融滑塌整体

图2 热融滑塌前缘

McRoberts和Morgenstern[2]认为,即使在坡角小于1°时,冻土边坡也将出现失稳,因此用常用的极限平衡法无法适合此类计算。Weeks[3],R.J.Chandler[4]用“冰堵法”分析Vestspitsbergen冻土斜坡稳定性,其实质为,融土的下卧层阻止了孔隙水的向外排出,从而形成了超孔隙水压力；Skempton和Hutchinson[5]认为在富冰黏土斜坡中,引起失稳的主要原因是形成了超孔隙水压力；Luis E.Vallejo[6]在分析冻土斜坡时提出建设性的想法,他们认为,斜坡稳定性计算中滑体成份分为两个方面,即由大块体和除大块体外的似流体,其稳定性系数与大块体所占总体积多少相关；由E.C.McRoberts和N.R.Morgenstern[7]提出,由D.E.Pufahl和N.R.Morgenstern[8]改进,他们引用固结比R分析斜坡稳定性；Foriero等[9]和Charles Harris等[10]把蠕变本构关系引入到冻土边坡稳定性分析中。国内关于冻土边坡的研究较少,吴玮江[11]分析黄茨滑坡时,提出季节性冻结滞水促滑效应,认为季节性冻融作用可导致斜坡体内地下水的富集和扩展,斜坡内的土体大范围的软化使强度降低,静水压力和动水压力的增大等冻结滞水的效应,从而促发滑坡形成。牛富俊[12,13]对青藏高原风火山北侧北麓河地区具体边坡进行分析,并提出相应的计算安全系数的计算公式,文中对当地进行温度和水分的监测分析,但并未对水分和温度场进行耦合分析,提出的计算公式也只限于极限平衡法。靳德武[14]提出了低角度的下冻土斜坡特殊的破坏机理,即质点迁移效应和滞水润滑效应；靳德武[1]应用有效应力原理推导了不同渗流条件下无限坡稳定性分析计算公式,绘制出不同坡度、不同含水条件下的的无限斜坡稳定性分析图表。文献[15]对青藏铁路安多段斜坡路基进行了稳定性的评价和分析,并得到了不同时间的稳定性系数。

2 热融滑塌的机理分析

当活动层的冻土融化后,坚硬的岩土块体和液状泥浆组成了液固混合物,这种物质抗剪强度很低或无抗剪强度,容易产生大致平行于坡面的滑动面；由于热融滑塌的物质为融流体,因而在很缓的斜坡上也可能发生滑塌的现象,其滑塌物质的运动轨迹如图3所示。热融滑塌失稳因素可以归结为：(1)内在因素。厚层地下冰的存在,且埋藏深度较浅,易受地表气温的变化的影响；(2)诱发因素。不良人为干扰引起的厚层冰的暴露,且使坡体形成临空面而使其失去支承力。

图3 热融滑塌物质运动轨迹[1]

热融滑塌的形成机理可以理解为,在厚层冰前缘由于一次偶然的事件而形成了临空面,在融化季节,在临空面的地下冰发生融化,使其上的融土失去支承而在自重作用下塌落,引起第一次土体坍塌。塌落的物质掩盖了坡脚及两侧暴露的冰层,在融化季节,厚层地下冰本身及已坍塌的土体中的地下冰融化,在重力作用下,水分不断下渗、凝集,水分的影响包括对土体强度和应力状态的影响两个方面,融化水使冰面以上的土体处于饱和、过饱和状态,这种土体含水量的变化,最终导致土体强度的降低；由于地下水自身重力、渗透过程中浮托力作用降低了有效应力,这种应力调整朝着不利于斜坡稳定方向发展。而地下冰面又是一个良好的滑动面,由于滑塌体的滑动面为厚层地下冰层,下渗滞水的润滑作用使沿冰面的摩擦系数急剧减小,从而使土体很容易沿冰面滑动。这种呈流塑状态的饱和、过饱和的粉质黏土,在聚集于冰面与土层间的水的润滑作用下产生滑动。已坍塌的土体滑动后,为后继土体的坍塌提供了新的空间,并引起地下冰的暴露,地下冰再次融化。斜坡土体进一步开裂、坍塌,为土体滑动提供了新的物质来源,坍塌体在“滞水润滑效应”作用下发生新的滑动,新的滑动孕育着新的坍塌。这种周而复始的融冻作用产生的溯源滑塌引起了较大体积的土体运动。

3 影响因素的分析

3.1 冻融交界面的影响

从地基土的抗剪强度来看,暖季冻融交界面(天然上限附近)的抗剪强度较小。同时,从监测的水平位移量变化特征来看,水平位移主要发生在人为上限以上的土体,而人为上限以下土体的位移量很小,确定冻融交界面为潜在滑移面[15,16]。

这个界面是随季节变化的面,在暖季(9～10月),界面埋深最大,严冬时,界面可到地表。多年冻土区的地质模型,不是一般意义上的岩性分层或力学分层,而是以融化层和冻结层交界面,作为分层依据,将土体分为“一元”或“二元”结构。依据冻融界面位置和活动层的地温特征将冻土路基划分为4个不同时期：冬季严寒期(1～2月)、春夏融化活动期(3～8月)、夏秋最大融深期(9～10月)及回冻活动期(11～12月)。冻融交界面的水分在一年四季中是变化的,每年4月初地表开始融化,冻结层上水开始形成,此时,冻结层上水向下垂直渗透,直至当前时刻的冻融锋面,而下覆的冻土为隔水层,水分将在交界面上富集；每年的9月下旬(路基体的时间为每年的10月中下旬)达到最大融化深度,即为多年冻土天然上限(路基为人为上限),冻结层上水的运行方向开始由垂直运移变化沿冻融交界面的形态渗流；每年的11月上旬,多年冻土的活动层开始双向冻结,下层冻融锋面(人限附近)由于融土和冻土存在电位差,因而水分都向冻结锋面聚集。多年冻土由于自由水的参与,改变了土质骨架的组构,同时,水分在冻融交界面起着润滑作用,从而大大降低了该位置土体的强度。

3.2 夏秋季强降雨的影响

降雨使土体含水量增高,从而降低了冻土的强度。同时由于降雨,使得冻土路基中的水压力进行重分布,改变了路基土和地基土的抗剪强度。同时,冻土中雨水的渗入,也影响着冻土路基的热平衡,相当于把地表热量带入到边坡内部。

安全系数与大气降水的关系,在负温季节,冻结的活动层和多年冻土层相衔接,斜坡稳定性系数具有很高的数值。在正温季节,土层由上往下融化,并且随着解冻厚度的增加稳定性系数逐渐降低。在夏末达到最低值。在不同的年度,这一最低值的大小取决于夏季的气温及持续时间。在这一地区,温度是斜坡稳定性的决定因素,同时,其稳定性系数也与土层中水分迁移变化有关。叶米里扬诺娃考虑彼乔拉河河口的安全系数与降雨的关系见图4[17]。

图4 降雨量与稳定性系数的关系

传统土力学理论中,边坡稳定分析方法是建立在刚体平衡假设基础之上的,同时只是考虑饱和状态,但此理论尚不能定量考虑雨水入渗对斜坡路基稳定性的影响机理。近年来,随着非饱和土力学理论的发展,且测试非饱和土参数手段的提高,为稳定分析中考虑降雨入渗的影响提供了新的理论基础。在降雨入渗过程中,随着雨强和时间变化,土体饱和区以及非饱和区的含水量也在不断发生变化。因此,必须考虑在降雨入渗条件下的渗流场变化,通过对饱和-非饱和渗流场进行模拟研究,确定土坡体内渗流场分布,在此基础上探讨由于渗流场变化而导致的土坡稳定性变化的影响。

降雨入渗的过程是随着表面的含水量不断变化的,降雨的入渗率与降雨的强度、土体性质、地形及植被覆盖有关。

4 冻土斜坡路基稳定性评价

4.1 极限平衡法评价天然边坡稳定性

4.1.1 评价方法的对比分析

由于冻土的特殊性,常用以下5种方法计算冻土边坡的稳定性,这几种不同的稳定性计算方法均基于极限平衡法。表1为不同评价冻土边坡稳定性评价方法。

表1 不同评价方法汇总

分析国内外冻土斜坡稳定性计算方法,认为表1中各种方法有如下优缺点。

(1)第1和第2两种方法引用了残余黏聚力和残余内摩擦角的概念,比较符合实际的情况,而残余强度可以用现场剪切试验进行测试。

(2)第3种方法Vallejo是独具匠心,但对于测定其大块占总体积的比例不容易测定,同时,也不易测定热融泥流流体的重度。

(3)方法4,将斜坡失稳归结于孔隙水压力,并将水压力分成3个部分,即由渗透压力、由自重产生的固结压力和由融化产生的固结压力。

(4)方法5中,添加了主动土压力,但由于热融滑塌的深度不大,主动土压力所占比例很小,因此常不能符合实际要求。

4.1.2 例证

对青藏铁路安多段现场的自然边坡进行验证,判断各种计算方法的合理性。

取γw=10 kN/m3,γ=17.5 kN/m3,γ′=7.5 kN/m3,γs=24.0 kN/m3,γf=13.0 kN/m3,β=10.0°,φ′=12.0°,Dw=2.0 m,Z=3.0 m,Cu=12.0 kPa,C′=0 kPa,α=0.9,Cv=0.5。

表2 各种计算方法的稳定性系数

从计算结果来看,方法1计算时,边坡已处于破坏状态；而方法5计算时,边坡处于极限状态。事实表明,安多试验段的自然边坡已出现了热融滑塌,因此,方法1比较符合实际计算。由于天然斜坡的不稳定,因此在此路段填筑路基,需要对地基土进行处理,比如将热融滑塌的地基土挖除,再用粗颗粒土换填,并在路基上游侧设置隔水埝阻止地表水浸入。

4.2 改进极限平衡法稳定性评价斜坡路基稳定性

4.2.1 改进极限平衡法的计算思路

改进极限平衡法是直接使用有限元分析得到的应力场评价边坡的稳定性问题,可追溯到Kulhawy(1969)的博士论文,方法的难点及要点在于准确有效的从有限元结果中插值出所需要的应力

Sr=sβ=[C′+(σn-ua)tanφ′+(σn-ua)tanφb]β

(1)

Sm=τmβ

(2)

F=Sr/Sm

(3)

式中,F为稳定性系数；S为条形宽度中心的有效剪切强度；Sr为破坏面上的抗剪强度；Sm为破坏面上的剪切力；β为条形宽度；σn为土条的正压力；ua为基质吸力；τm为土条的剪切力；C′、φ′分别为有效黏聚力和内摩擦角；φb为吸力方面的摩擦角。

4.2.2 工程实例

以安多试验段DK1503+500为例进行分析,其路基面按Ⅰ级铁路次重型轨道类型标准设计,基床厚度2.5 m,其中表层0.6 m,底层1.9 m。试验段的路基结构呈现几何不对称,路基宽度为8.3 m,在路基底部设置了抛片石,并在路基上游侧设置挡水埝。

根据地温特征[15],将路基和地基划分以下5层：路基填料、片石层、融化的粉质黏土、冻结的粉质黏土和泥岩(物理力学参数见表3)。为了考虑降雨作用下的边坡稳定性,先对斜坡路基进行渗流分析,其计算水头作为边坡稳定性分析外力。在改进极限平衡评价过程中,考虑地震荷载作用,只是将地震荷载作为水平体力(静力)。降雨渗透计算和地震力稳定性计算见文献[15]。

表3 冻土路基各地层的物理力学参数

计算过程模型及结果见图5和图6及表4所示。从表4可以看出,沿热融界面(人为上限)的稳定性系数小于圆弧型滑面。而当把渗透力和地震力加入到评价模型中,则斜坡路基已出现了破坏。

图5 滑面沿热融交界面(没有考虑水压力)

图6 滑面沿热融交界面(考虑水压力和地震力)

表4 改进极限平衡法计算稳定性系数

5 结论

(1)冻土热融滑塌的机理是归结为存在埋藏深度较浅的厚层地下冰和不良人为干扰使坡体形成临空面而使其失去支承力。

(2)冻融交界面(天然上限)处的强度是决定冻土边坡稳定性的重要因素,而夏季强降雨也是影响冻土边坡稳定性的重要因素。

(3)通过青藏铁路安多段边坡稳定性的验证,认为方法1比较符合实际计算。

(4)改进极限平衡法能计算较复杂的冻土斜坡稳定性,文中安多试验段斜坡路基在受到降雨和地震力共同作用下将出现“失稳”；因此需要加强排水设施和提高抗震等级。

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