冻土路基斜坡稳定性研究

郎永贤

（青海省交通规划设计研究院有限公司，青海西宁810000）

0 引言

多年冻土区的路基由于受到循环冻融的影响，土体的含水量、温度等会发生变化，并将由此导致变形量增大。不同于普通地区的公路建设，多年冻土地区的公路在舒适性、耐久性方面存在一定的不足，这也就要求技术人员严格控制路基的稳定性[1]。对于路基的变形程度，工程中一般会通过平整度来体现，同时它也能表征结构的稳定性。若路基在设计使用年限内的沉降量大于容许值，则可视为失稳[2]。

1 冻土路基的稳定性变化特征

根据温度场耦合的冻土斜坡稳定性分析理论，选择极限平衡法来分析不同高度条件下路基受到温度影响所发生的稳定性变异，评价温度对路基斜坡稳定性产生的影响[3]。

1.1 月份变化特征

在冻土融化的过程中，路基的初始融深一般比较小，且受到冻土融化部分的影响，最危险的滑动面主要出现在冻融界面处，但下滑力往往比较有限，这也使得路基的稳定性系数相对较大。但随着融化程度不断加深，斜坡下滑的趋势也将不断增加。一般而言，8 月后冻土区域对斜坡危险滑动面的影响处于较低的水平，最危险的滑动面将不再变化，因此路基的稳定性系数将处于恒定状态。

需要注意的是，路基的稳定性变化特征并不完全随着冻融深度的增加而减小，在6～10 月温度较高的月份，冻融深度减小，但是其稳定性系数变化反而较小。

1.2 地温变化特征

针对高度为4m 的路基斜坡进行稳定性分析，探究其在不同地温环境下的稳定性。研究结果表明[4]，不同地温环境对路基稳定性的影响较小，其最低稳定性系数并未出现变异。导致这一现象的主要原因在于，此次研究的步长选定为1 个月，地温对路基在全年内的稳定性不存在显著影响。

此外，研究结果还表明[5]，地温的高低对最低稳定性系数出现的时间有一定影响。总体来看，温度越低，最低稳定性系数出现得越晚。在暖季初期，由于部分断面仍存在相同的温度场，因此在冻融界面处稳定系数形状较为类似，最早的界面一般与路面保持平行，而在越过坡脚后则与坡面呈现出平行的状态。因此，即便地温条件存在差异，但最危险的滑动面出现的位置及形状表现出了一致性，由此可以认为，地温对路基稳定性的影响比较有限。

1.3 运行时间变化特征

虽然路基的最低稳定性系数受到地温的影响比较微弱，但随着时间的推移，地温水平将表现出不断上升的趋势。不过，即便在这样的背景下，路基最低稳定性系数的变化也比较微弱，说明路基的稳定性与时间之间不存在显著关联性。

此外，在运营时间发生推移的同时，路基内的水分也会出现一定程度的迁移，若水分逐渐向边坡脚等位置汇集，则很可能造成该区域土体强度的损失，进而降低路基的整体稳定性。

2 冻土路基稳定性影响因素分析

2.1 路基高度

2.1.1 无荷载下路基高度与稳定性的关系

为便于分析，降低工作量，在对不同高度路基进行不同时段的斜坡稳定性研究时，选用10 天作为一个分析步长，一年的数据量则为36 个，以此得出不同高度及时段，路基的稳定情况。

研究结果表明，提升路基的高度指标对于年最小稳定存在着负面影响[6]。基于我国现行的路基设计规范要求，若设计安全系数大于1.3，那么设计高度应当被控制在3.56m 以下。

2.1.2 车辆荷载下路基高度与年最小稳定的关系

在实际的路基设计中，车载效应往往不作为稳定性计算的影响因素，这主要是由于路基的稳定性系数大多集中在1.2～1.3 的范围内，且其设计高度较高。因此，即便将车载纳入分析范围，也不会对路基的稳定性造成较大影响。但对于冻土路基而言，冻融界面对于其稳定性却存在着比较显著的影响，尤其是界面形态不同带来的影响。在此次研究中，将车辆荷载简化为恒定的均布荷载，并分别得出10kPa、15kPa、20kPa 三个不同荷载水平下的稳定性系数。

在不同的路基高度下，车辆荷载的影响也存在一定差异。在相同荷载水平下，荷载对高度小、下滑力弱的路基稳定性的影响较高度大、下滑力强的路基更为突出。

研究还发现，若路基高度大于6m，则在15kPa 的车辆荷载水平下，路基稳定性将由1.028 降至0.993，因此可以认为路基在这一荷载下的绝对破坏高度为6m。同时，若以1.3 作为设计安全系数，则在10kPa、15kPa 及20kPa 的荷载水平下，路基的临界破坏高度分别为3.05m、2.78m 及2.51m。

2.2 路基坡度

在路基设计高度较低的项目中，为了保障斜坡的稳定性，为公路正常路用性能的实现提供可靠保障，常常会采用放坡的方式进行处理，此次研究也针对不同放坡坡度下斜坡的稳定性进行了探究。

研究结果表明，较低的边坡比会导致斜坡的稳定性随之下降[7]。具体来看，稳定性系数每增加0.1，则边坡比要相应提升0.25。所以，在高度较小的路基中，放坡能够很好地发挥作用，且具有显著的经济优势。

以4m 高的路基为例，在不同的坡比条件下，年最小稳定大多集中在暖季初期。在-0.8oC 的条件下，根据研究中对第9年坡比不同时所对应的滑动面、温度场叠加效果可以发现，冻融界面的分布与边坡坡度之间不存在显著关系，最危险的位置仍旧出现在冻融界面处。总体来看，相较于下滑力，小坡度边坡的抗滑力比大坡度边坡更小；而路基抗滑力的分布则有着相反的规律，从而导致在更小的坡比下，路基稳定性有强化的趋势。

若不考虑对行车荷载的影响，在设计路基时可将安全系数定为1.3，由此即可分析得出在坡比为1、1.25、1.5 和1.75 时，其所对应的临界高度分别为2.68m、3.02m、3.45m 和4.05m。在其他参数满足设计基本要求的基础上，将路基高度控制在合理范围内并采取适当的坡比，能够很好地满足路基稳定性的要求。此外，为了尽可能提升项目的经济效益、减少工作量，可在设计中适当增大坡比。

2.3 护道

根据上文对坡比作用的分析可以发现，当路基高度定为较高水平时，为了保障路基斜坡的稳定性，一般需要调小边坡坡比，但由此也会显著增加土方量，并降低项目的整体效益，此时可通过护道形成对坡脚的反压，从而解决这一问题。

此次研究选用1.5 坡比的路基进行分析，在其上附加护道后完成稳定性计算，护道的高度及宽度分别为1.5m、3m，其坡比仍保持为1.5。

不同于未附加护道时最小稳定性主要出现在暖季早期，附加护道后，最小稳定性出现的时间表现出了一定的后移，在暖季中期较为集中。

以高度为5.5m 的路基为例，暖季早期未附加护道的路基与加设护道的冻融界面较为相似，首先与地表平行，随后发展至与坡面平行，同时两者最危险的滑动面也较为相似。滑动面位置的剪出口为路基坡底线，若在其上附加1.5m 的护道，往往能够表现出较好的反压效果，这也就等效于将原有路基的高度从5.5m 降至4m。随后，伴随着融深的不断深入，冻融界面也持续下降，使得剪出口暴露在护道平台、坡面及坡底位置。由于冻融界面的抗剪承载力较差，因此在这一过程中，土体的抗滑力可视为恒定，但下滑力的增长却较为显著，使得斜坡的稳定性不断下降。此后，融深的进一步发展使得抗滑力逐渐增加，斜坡的稳定性也随之增强。

研究结果表明[8]，附加护道对于高度较小的路基稳定性有较好的强化效果，而随着路基高度的提升，护道所带来的稳定性增强效果也将逐渐衰弱，在路基高度增至一定限度后，附加护道甚至还会对斜坡的稳定性带来负面影响。但这一现象在较高的车辆荷载作用下会有所减弱。

需要注意的是，在附加护道后，年最小稳定所对应的冻融界面有所变化，相较于未附加护道时更加平缓，因此其抗滑力也就更大，同时滑体的体积也会更大。

对于高度较小的路基而言，其下滑力一般较小，且坡脚位置的反压效应更为突出，因此，冻融界面的平缓分布将使下滑力占据主导，附加护道后斜坡的稳定性也会更好。

但伴随着路基高度不断提升，下述两类情况将导致附加护道对增强斜坡稳定性的作用发生衰减，甚至会产生负面影响。

2.3.1 路基高度越高，附加护道所产生的反压作用越微弱，且在行车荷载作用下也具有相似的结论。

2.3.2 路基高度越高，冻融界面越陡，甚至会与未附加护道时相似，进而减弱冻融界面平缓所带来的抗滑力的增强效果。同时，附加护道时的下滑力较未附加时更大，因此斜坡的稳定性将有所降低。

对于高度较小的路基而言，附加护道对其稳定性有显著效果，但在路基高度、车辆荷载增加的情况下，这一积极作用将被削弱，甚至起到负面影响。因此，在设计护道时应结合路基高度及车辆荷载进行考虑，确定护道可能带来的影响效果。

2.4 路面宽度

在控制坡比为1.5 的同时，选择不同路面宽度展开边坡稳定性分析，探究路面宽度带来的影响。研究表明，对于相同路基高度而言，暖场早期的温度分布比较相似，其冻融界面都是先沿着平行于地表的方向发展，随后变为平行于坡面，这也使得最危险滑面较为相似。从而可以确定，不同路面宽度下的斜坡稳定性较为接近，可忽略由此带来的影响。

3 冻土路基下临界高度关键参数的确定

为了确保在冻融条件下路基仍能保持良好的力学性能，在设计时需要合理确定路基高度。一般来说，路基的最大高度可按下式（1）进行计算：

式（1）中：Hsx、Fs、p分别为上临界高度、路基稳定系数、荷载。

图2 边坡比与冻土路基稳定性关系

根据图1 至图3 可以看出，1∶1.5 偏坡坡度下的路基，若不计车辆荷载对斜坡稳定性的影响，为了将稳定性系数控制在1.3 以上，其设计高度一般需要低于3.6m。 若假定车辆荷载分别为10kPa、15kPa 及20kPa，那么设计高度一般需要分别低于3.1m、2.8m及2.5m。这一研究结果与工程实践经验之间比较接近。若实际工程中受到地形、地势、断面设计等方面的制约而无法适应设计要求，那么可以采取调整边坡坡度或附加护道的方式来强化路基稳定性。

图1 不同荷载作用下的稳定性系数

图3 无荷载下附加护道后稳定性对比图

4 结语

本文对不同条件下冻土路基斜坡的稳定性进行了分析，探究了不同因素的影响效应，特别是路基高度、护道以及路面宽度对稳定性的作用规律。研究发现，路基一般在暖季出现年最低稳定性系数，同时也会受地温影响，地温越高其出现的时间越晚。此外，路基高度越高，年最低稳定性也会呈现削弱的趋势，这为冻土地区公路建设提供了理论支持。