土质路堑边坡冻融浅层的滑塌机理与数值模拟

武 鹤， 刘莹莹， 葛 琪

(1．黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院， 哈尔滨 150050； 2．中国地质大学 工程学院， 武汉 430074；3．哈尔滨远东理工学院 土木与建筑工程学院， 哈尔滨 150076)

土质路堑边坡冻融浅层的滑塌机理与数值模拟

武 鹤1,2， 刘莹莹3， 葛 琪1

(1．黑龙江工程学院 土木与建筑工程学院， 哈尔滨 150050； 2．中国地质大学 工程学院， 武汉 430074；3．哈尔滨远东理工学院 土木与建筑工程学院， 哈尔滨 150076)

春融期土质路堑边坡经常发生浅层滑塌。在新近滑塌的哈同公路土质路堑坡体附近取样，测量边坡滑塌时边坡土体的含水率、黏聚力及内摩擦角等参数的变化，并研究土体抗剪强度随深度的变化规律。通过数值模拟，分析土质边坡自冻结开始至春融期全部融化约200 d的温度变化规律。结果表明：随着深度的增加，含水量先增加后降低，土体抗剪强度呈先减小后增加的趋势，在融化界面处土体基本达到饱和状态，抗剪强度极低；边坡达到最大冻结深度后，自坡面开始向坡体内部融化，至一定深度时坡体发生破坏。该研究成果对春融期土质路堑边坡滑塌治理具有重要的指导意义。

土质边坡； 冻融滑塌； 边坡稳定性； 数值模拟

0 引 言

我国季节性冻土分布较为广泛，受西伯利亚冷空气影响，我国东北部地区冬季较长，春季早晚温差较大，尤其黑龙江省境内，春融期冻融循环现象明显，在春融期，土质路堑边坡经常发生冻融浅层滑塌现象。对于黏性土体，春融期边坡解冻融化，其内部冰晶 体融化水分较难排出，更多的含在黏土层内部，导致黏土层内部某处达到饱和，抗剪强度迅速下降，在有风荷载或震动荷载等作用下，极易发生滑落。滑塌不仅降低了公路沿线的美观，而且严重危害路基的使用寿命。因此，有必要对该类环境条件下土质边坡春融期发生浅层滑塌进行研究，以期发现产生滑塌的一般规律，并对此找到更为合理的防治措施。

文中以同三公路哈尔滨至佳木斯段某处路堑边坡为例，介绍边坡发生浅层滑塌的原因，采用数值分析软件GEO-studio分析路堑边坡的温度变化分布情况，给出其一般的滑动规律。

1 浅层滑塌研究现状

对于土质边坡浅层滑塌的现象，国内外学者对此进行了大量的研究。叶万军等[1]对洛川黄土边坡剥落病害产生机理进行实验研究，得出土体经过反复冻融循环导致强度弱化，经过冻融循环10次左右，土体的力学参数趋于稳定。土体冻结时，坡体内水分向冻结面处迁移；土体融化时，过多的水分附存在冻融界面处，软化界面土体强度。夏琼等[2]对兰新铁路路基冻结过程中的水分迁移及冻胀规律进行实验研究，认为土冻结后发生水分重分布。在封闭系统下，冻结后土体上部含水量较大，下部较小；而在开放系统中，土样冻结后上、下部含水量均有所增加。葛琪等[3]对黏性土边坡冻融界面的抗剪强度参数衰减进行研究，利用最小二乘法拟合出经历n次冻融循环后的黏性土抗剪强度参数cn和φn随冻融循环次数n的函数关系：

cn=c0×(0.345×e0.28+0.64)，

(1)

φn=φ0×(0.412×e0.214n+0.60)，

(2)

式中：c0、φ0——未经历冻融循环时的土体抗剪强度值。

黑龙江地区春融期昼夜温差较大，春融期间几乎每个昼夜均发生冻融循环，由式(1)、(2)可估计n次循环后的强度参数。武鹤等[4-6]对寒区土质边坡冻融滑塌影响因素进行研究，认为融化土体的黏聚力、内摩擦角以及融化深度对安全系数影响显著，当坡体融化至一定深度时，冻融界面饱和土体抗剪强度小于上覆土体下滑力时边坡发生滑塌。王宁等[7]研究了冻融循环对季节冻土区黄土路堑边坡的影响，得出冻融循环或由冻融循环所引起的干湿循环是导致黄土强度损失的主要原因。胡伟等[8]研究冻融循环对兰州黄土边坡稳定性的影响因素，认为冻融循环后边坡自稳过程所产生的位移明显大于冻融前，且位移量随着土体干重度的增加而越趋明显。李航等[9]对冻融循环作用下路基边坡稳定性变化进行研究，认为由于冻融循环作用改变路基边坡的土体力学性质，从而影响路基边坡的稳定性，边坡安全系数将随着冻融循环次数的增加而降低，其变化趋势与黏聚力的变化相近。以上研究，均是集中在对冻融循环条件下土工实验或数值模拟结果方面，少有考虑现场条件下边坡滑塌的抗剪强度变化及温度从入冻至春融边坡温度场情况。因此，该问题的研究对进一步认识春融期边坡滑塌及防治措施极为重要且不可或缺。

2 冻融浅层滑塌机理

同三公路佳哈段K523—K524处由于公路设计需要，修筑了大量的路堑边坡，边坡的高度一般为2～5 m，该路段春融期发生边坡浅层滑塌的几率较高，课题组选取其中一个新近滑塌的边坡为研究对象，滑塌边坡如图1所示。边坡为粉质黏土，坡高约4 m，坡率为1∶1.5(33.7°)。其几何模型如图2所示。

图1 路堑边坡滑塌

图2 边坡滑塌几何模型

2.1 温度变化分布

对于黑龙江地区，冻结深度自南向北，由东南向西北逐渐加深，最大冻结深度为2.2 m，地面冻结日期一般为11月中旬，稳定解冻日期为第二年4月中旬。在此环境下修筑的道路边坡无一不受冬季冻胀春季融沉的影响，尤其对于土质边坡来说冻融引起的浅层滑塌现象很常见。温度变化范围选取当年的10月1日至次年的4月30日共计212 d。其日平均温度(θ)变化如图3所示。

图3 平均温度随时间变化

2.2 采样土实验

为了分析边坡滑塌的原因，在所选取的滑坡体左右两侧附近进行定深取样，取样深度为自地表向下每间隔10 cm取样一次。测其含水率w变化关系，如图4所示。对边坡土样进行三轴压缩实验测得土样的黏聚力、内摩擦角，实验结果如图5所示。

图4 含水率沿取样深度变化

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

由图4可以看出，含水率随着取样深度的增加，呈先增大后减小的趋势，在取样深度为40 cm处含水率最大达32.1%。图5为取样点处土体黏聚力、内摩擦角三轴压缩实验结果，可以看出，随着含水率的增加，黏聚力、内摩擦角呈先增加后减小强趋势，且当含水率大于27%时，饱和度Sr>0.97。

a 黏聚力与含水率关系

b 内摩擦角与含水率关系

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

2.3 抗剪强度变化

对于某个特定的边坡其稳定性完全取决于边坡岩土体的抗剪强度。边坡滑动面上抗剪强度表达式：

τ=c+γhtanφ，

(3)

式中：τ——剪应力；c——黏聚力；γ——土的重度；φ——内摩擦角；h——边坡高度。

根据式(3)可以得出抗剪强度随边坡坡面深度变化关系，如图6所示。

由图6可以得出，随着边坡融化深度的增加，边坡土体抗剪强度先减小而后增加，边坡30～50 cm处，土体基本达到饱和状态，其抗剪强度较小，上部土体极易发生浅层滑塌。

图6 抗剪强度随深度变化

3 数值模拟

采用GEO-studio软件对边坡模型进行数值模拟。土质边坡春融期发生浅层滑塌，主要由温度场的变化影响改变渗流场与应力场的变化，而三场的耦合作用绝不仅仅是三场分别作用的线性叠加结果，而是三者相互影响相互作用的结果。边坡模型的温度边界条件如图3所示，采用temp模块进行计算。

3.1 模型及参数

数值计算采用二维平面模型，边坡高为4.0 m，边坡长度为6.0 m，坡率为1∶1.5(坡角约为33.7°)。模型整体高为10 m，长度为30 m。边坡土体力学参数及几何参数见表1。

表1 土质边坡力学及几何参数

3.2 模拟计算结果

为了使数值计算结果更具有说服性，土质边坡模拟计算的时间从10月1日至次年4月30日，共计212 d，即模拟边坡从正温度逐渐为负温度再到春融期边坡发生融化这一整个冻结融化过程。其中，哈尔滨地区昼夜温差较大，春融期时间较长，白天边坡发生融化，而夜晚温度骤降,边坡表面重新冻结。其冻融循环次数较大，故土体冻融界面抗剪强度参数变化较小。模拟结果如图7所示。

图7为10月1日至次年4月30日温度变化对边坡温度场的影响。图7a为初始温度场，可以看出，在起算时间上地表温度为正值，温度等值线为自地面向坡体内部不断减小。图7b为21 d后(10月21)边坡温度分布，可以看出，地表温度逐渐变为负

a 初始温度场

b 21 d后温度分布

c 50 d后温度分布

d 145 d后温度分布

e 187 d后温度分布

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

温度，而坡体内温度由于初始温度的影响，在其内部储存一定温度未完全释放，故坡体内部温度高于坡面温度。图7c为50 d后(11月19日)边坡温度变化，可以明显地看出，地表温度处于负温度，地表以下0.5 m深度处为正负温度交界面。而坡体内部仍残留初始温度，较图7b的温度值有所下降。图7d为145 d后(次年2月22日)边坡温度等值线，可以看出，边坡表面处于稳定的负温度场，边坡的最大冻结深度可达2.0 m，这与哈尔滨地区平均年最大冻结深度基本一致。图7e为187 d后(次年4月5日)边坡温度变化，可以看出，随着春融期外界温度的升高，边坡地表温度逐渐变为正温度，坡体表面开始融化，比较图7d可以看出，随着外界温度的升高，最大冻结深度没有发生变化，得出春融期边坡的融化由坡面开始逐渐向坡体内部进行。

图8为土质边坡不同深度处温度随时间变化关系，其中地表处温度变化与边界条件(图3)温度变化基本一致，从四个点处的温度变化可以看出，入冬期随着外界温度降低，边坡体自表面起温度变化逐渐变小，地表处变化最敏感。进入春融期外界温度回升，坡体内温度逐渐上升，边坡自坡面开始逐渐融化。边坡表面以下2.0 m深度处，最低温度可达0 ℃，得出边坡最大冻深约2.0 m，其后温度变化越不敏感。

图8 边坡温度随时间变化关系曲线

图9为边坡滑移面及安全系数，可以得出，在春融期坡体表面融化，岩土体力学参数明显降低，安全系数为0.95，边坡极易发生浅层滑塌。

图9 边坡滑移面及安全系数

4 结 论

(1)春融期土质边坡含水率随着深度的增加而呈先增大后减小的趋势，含水率最大可达饱和状态。

土体黏聚力、内摩擦角随着含水率的变化，亦呈先增加后减小趋势。根据取样位置处得出，边坡土体抗剪强度随取样深度的增加呈先减小后增加的趋势，在30～50 cm处抗剪强度较小。

(2)寒区土质边坡温度自入冬至第二年开春，坡体温度随气候温度变化由地表正温变化至负温，达到最大稳定冻结深度后，随着温度的回升，自坡面向坡体内部逐渐融化，冻融界面处其抗剪强度较低，边坡极易发生浅层滑塌现象。

(3)通过对春融期边坡滑塌的内在机理分析，结合数值模拟计算结果，推荐以种植喜湿深根植物(柳树条)为宜，作为土质边坡浅层滑塌的防治措施。

[1] 叶万军， 杨更社， 彭建兵， 等． 冻融循环导致洛川黄土边坡剥落病害产生机制的试验研究[J]. 岩石力学与工程学报，2012， 31(1)： 199-205.

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(编辑 晁晓筠 校对 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

黑龙江省自然科学基金项目(E201117)

武 鹤(1963-)，男，黑龙江省鹤岗人，教授，硕士，研究方向：道路工程与冰冻防治技术，E-mail:hgcwuhe@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.012

U416.13

2095-7262(2017)05-0503-05

A