寒区铁路冻融作用下土质路堑边坡的稳定性探讨

樊耀武

(铁道第三勘察设计院集团公司吉林分公司，吉林吉林 132001)

寒冷地区铁路路堑边坡的稳定性直接关系到铁路运输的安全。冻融作用产生的边坡滑塌为寒冷地区常见的一种自然地质灾害，可以产生大量的水土流失，破坏沿线景观，直接或间接影响铁路的运营安全与使用功能。所以，位于挖方段的铁路路堑边坡坡面的稳定性是铁路工程建设需要考虑的重要内容之一。

1 路堑边坡冻融滑塌的表现形式与原因分析

受冻融作用的影响，吉林省东部地区铁路路堑边坡在每年4～5月间产生大量的浅层滑塌，滑塌的深度距坡面为20～100 cm，并且集中在20～70 cm之间。按滑塌的部位可以分为以下几种。

①上部滑塌式:这种滑塌在坡面顶部或接近顶部产生，一般与边坡顶部天沟失去作用或地表水的渗入或圬工防护失稳有关。主要表现滑塌土体堆积在坡面上或滑到坡脚，或坡面圬工防护出现隆起、破裂甚至滑塌。滑塌深度较浅，多为20 cm左右。

②中部滑塌式:这种滑塌位于边坡的中部，具体的发生部位与地表水的渗入和层间水的富集部位有关，一般滑塌要延伸至坡脚附近。主要表现为滑塌破坏面积较大，坡面拱形骨架或砌石防护遭到严重破坏。滑塌深度多在20～50 cm。

③整体滑塌式:这种滑塌多与层间水大面积富集或圬工防护失稳有关，主要表现为滑塌范围基本涵盖整个路堑边坡，宽度可达数十米，滑塌的深度一般较大，多数超过50 cm。

寒冷地区产生此类滑塌的主要原因是边坡土层的冻胀与融解。在寒冷地区，春融期寒温天气持续时间长，如果农历为闰三月或闰四月，则加大了寒温天气持续时间，气温回升较慢，昼夜温差在0℃上下循环。

寒冷地区的冻融作用:白天气温升至0℃以上，地表的积雪和表层的冻土逐渐融化，水分渗入下层，夜间气温降至0℃以下，重新产生冻胀。在反复的融解冻胀地冻融作用下，在表层土间形成冰土夹层，使冰雪融水难以下渗，形成包气带水。边坡表层土质在包气带水作用下，天然含水量增大使土质软化，白天时，表层冻土融化，在重力作用下沿着其下形成的冰土滑面产生滑塌。

沿线遭冻融作用破坏的堑坡多数为阴坡，坡上积雪融化慢，冻融作用时间长，对边坡的破坏比较明显。对有拱形骨架护坡或砌石护坡防护坡面土层的冻融作用可导致圬工防护结构的隆起及破碎脱落，在坡面圬工附加荷载作用下极易产生浅层滑塌。

由于寒冷地区降雪量大，春季冰雪融水量大，持续时间长，融水渗入边坡土体从裂隙发育处涌出。涌水多为点状涌水，局部为线状涌水，涌水处土体受渗流作用产生渗透变形，造成堑坡的浅层滑塌。

2 冻融作用下影响边坡稳定性的主要因素

2.1 地质条件

由岩土体的工程地质性质所决定。土质边坡的岩土体密度较低，孔隙较大，抗冲蚀能力低。在地质构造上容易造成表水渗入，产生流水侵蚀面和冰冻夹层面。

2.2 水文地质条件

边坡的失稳往往与地下水的活动有密切关系，而层间水的富集程度又与气候条件、土质条件相关。冻融作用造成水文地质条件发生改变，边坡土体的力学性质受水的影响很大，增加了土质边坡土体的下滑力，也降低了土体的抗剪强度。

2.3 气候因素

气温的变化是侵蚀高含冰量冻土路堑边坡土体结构和影响边坡稳定性的主要因素。春融期的气候特点就是白天融化，夜间冻胀，这种反复长时间的冻融作用对路堑边坡造成强力破坏。所以，往往在春融期可见大量的边坡滑塌现象。

3 土质边坡冻融作用滑塌机理分析

土质边坡冻融滑塌机理主要包括两个方面，冻融循环作用下的重力侵蚀蠕动与冻结面下降形成滑床作用。

3.1 冻融循环作用下的重力侵蚀蠕动

重力侵蚀是沿坡向下运动的一系列现象，这种运动是一种固结或半固结物质的运动，可以快速运动，也可以缓慢不易察觉地移动或蠕动。土质路堑边坡土体在冻融作用的反复作用下发生向下的蠕动，这种蠕动变形运动很缓慢，蠕动的土体在慢慢破坏土体的层间结构并积蓄重力，当重力达到或超过土体抗剪的临界值就会沿滑动面产生大的滑塌(如图1所示)。

3.2 冻结面下降形成的滑床现象

图1 冻融滑塌滑床

进入春融季节，路堑边坡坡面上的积雪开始融化并向地表下渗入或沿坡面向下流淌冲刷坡面。边坡的冻结土层也由表及里的逐渐融化。冰融化使冻结面以上形成饱和或高含水量的解冻土体，在冻结面以下是不易透水的冻结冰土层。随着冻融作用的时间增长，冻结面的下降，在冻结面附近集聚的层间水逐步增加，在未融化的冻结土层表面形成单一坡度的冰土平面滑床。由于层间水的富集致使边坡表层冻结面以上的土体抗剪强度和摩擦力明显下降而发生浅层滑塌，经现场调查，发生滑塌以后可以看到冰土滑床的存在。

一般来讲，坡度越陡边坡越容易失稳，而坡高越大也越容易失稳，放缓边坡有利于边坡稳定，所以铁路路基设计规范明确规定均质黏性土边坡坡率为1∶1～1∶1.5(TB10001—2005 8.2.2)。通过对哈大线、长图线、和白线等铁路，以及长吉线、吉图线高速公路调查发现，路堑边坡坡率在1∶1～1∶1.5时发生冻融滑塌比较多，在边坡坡率达到1∶1.75时也有冻融滑塌，如果继续放缓边坡在经济比较中又得不偿失。放缓边坡坡度对提高铁路路堑边坡的稳定性有一定的效果，但不能有效地防治冻融滑塌的发生，所以说边坡冻融滑塌与边坡坡率关系不大。防治冻融滑塌的措施应该从滑塌的原因、影响因素和滑塌机理上入手。

(1)排除层间水

层间水是引发冻融滑塌的主要，所以排除层间水是必要的防治措施之一，设置竖向与斜向浅层排水沟结合土工滤排水材料是很好的选择。土工滤排水材料的埋置深度应根据层间水的深度确定，一般不小于0.5 m，主沟槽间距根据层间水的水量可设为5～15 m，周围可回填砂卵石土，基本能够满足边坡层间水的排水要求。

(2)坡面植被防护

为增加边坡坡面的抗剪强度与抑制冻胀作用，坡面应种植根系发达的植物护坡:草本植物以马蔺、无芒雀麦为主，灌木植物以紫穗槐为主。马蔺为多年生草本宿根植物，耐盐碱、耐践踏，根系发达，草根可深达1.0 m以上;无芒雀麦属多年生牧草，根系发达，可防沙固土，对气候条件适应性广，特别适于寒冷干燥地区。紫穗槐是耐寒、耐旱、耐盐碱、抗风沙的灌木植物，根部比较发达，根部长有根疣。以上是边坡防护的良好植物。

(3)坡面圬工防护

因冻融作用坡面砌体圬工经常发生防护结构隆起或松散，导致坡面支撑失效而成为路堑边坡坡面的附加荷载，对坡面的浅层稳定产生不同程度的不利影响。为了减轻坡面的附加荷载，建议采用轻型圬工坡面防护，例如骨架护坡、设置轻型预制空心混凝土块或土工合成材料防护。

(4)坡脚支挡结构

在坡脚处设置矮挡土墙对土质边坡稳定也有一定的作用，挡土墙高度以2.0～3.0 m为宜，墙体适当加厚可以防止滑塌体的推力。

以上工程措施应根据实际情况综合运用，可以起到很好的防治效果。

4 结论

寒区铁路路堑边坡冻融滑塌是一种特殊的自然地质灾害问题，边坡坡度不是决定的因素，主要因素是层间水的富集，所以不易采用大面积降低坡度来解决边坡的稳定性问题。应尽量地排除浅层层间水，并种植根系发达的植物进行护坡。

坡面附加荷载对寒区铁路路堑边坡冻融滑塌有明显的不利影响，所以寒区铁路路堑边坡不建议采用砌体圬工护坡，应采用轻质的防护结构如:骨架护坡、轻型预制空心混凝土块或土工合成材料等。

［1］韩世鹏，白义松．寒区公路土质路堑边坡冻融滑塌机理分析［J］．黑龙江交通科技，2002，10(35)

［2］武鹏，高伟，等．寒区路堑人工土质边坡滑塌原因与稳定性分析［J］．黑龙江工程学院学报:自然科学版，2005，19(2):1-4

［3］王库．植物根系对土壤抗侵蚀能力的影响［J］．土壤与环境，2001，10(3):250-252

［4］许珊珊，高伟．寒区公路路堑边坡抗冻融稳定性分析［J］．低温建筑技术，2006(2):10-12

［5］谷宪明，王清，等．延边地区公路沿线边坡失稳试验分析［J］．自然灾害学报，2005，14(6):152-157

［6］张建俊．冻融循环作用下季冻区高铁路基沉降预测的试验研究［D］．沈阳:辽宁工程技术大学，2009

［7］赵雨霞，芮大虎，铃木辉之．寒区植被边坡冻融特性现场试验研究［J］．低温建筑技术，2001(7):98-100

［8］TB10002—2005 铁路路基设计规范［S］