冰劈作用对加剧微裂隙岩质边坡破坏性的机制研究——以红原气候及地质条件下的岩质边坡冰劈为例

彭 辉

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川成都 610000）

1 研究背景

冻土一般指温度低于0且含有冰的岩和土，冻土是冻结土和冻结岩的总称[1-2]。冻土力学的研究具有广泛工程背景，根据已有的寒区岩土工程经验，存在冻土问题的地方一般都存在冻结岩石的问题[3]，如寒区的岩质边坡、隧道、道路路基、地下输油气管线、建筑物地基以及液化天然气的地下低温贮存库等，都不同程度存在冻结岩石问题[4]。

红原地区气候条件恶劣，具有高原低氧、夏季短、无春秋、冬季漫长等特征，红原地区冬季从7月持续到次年4月，9月进入霜期，10月开始积雪，直至次年4月完全解冻融雪，冬季极端最低气温可达-36 ℃[4]，气候寒湿，冻害特征明显。

以红原县S302线海子山段某岩质边坡为例，场地属丘原（高原丘陵）地貌，海拔高度3 600～3 800 m，自然边坡起伏一般15°～30°。S302省道建设，某地段受地形影响，线路内侧形成数处高度约3～6 m不等的岩质边坡，边坡原开挖坡度约45°。其地层岩性主要以三叠系中统扎尕山群组（T2zg）板岩、浅变质砂岩及砂质板岩为主[4]，受区域性断裂即红原断裂影响，次级断层及层间破碎带极发育，岩石板劈理及构造裂隙极发育，岩体多呈碎裂镶嵌状结构。本段岩质边坡共同特征是岩体中裂隙密集发育，坡表碎落特征明显。冬季收到冰雪反复冻融的作用影响，坡表碎石方量增加较明显，说明冰劈作用对该边坡破坏的影响大于其他因素。根据观测分析，冬季坡体积雪溶解后向裂隙入渗，气温下降至冰点以下或上升至冰点以上时，填充在裂隙中的水体反复融化、凝固，根据相关研究，水由液体变成固态时体积增大9%[5]。岩体裂隙中水的状态反复变化，形成裂隙水压力及冰劈力作用，使得岩质边坡裂隙持续延伸、扩张，并浸润隙面及充填物，加剧边坡破坏。

根据土力学定义，土体是岩石在连续风化作用下形成的大小悬殊的颗粒，经过不同的搬运方式，在各种自然环境中生成的沉积物。岩石指在地球物理及化学过程作用下，经过漫长的地质历史，形成具有一定强度和结构的矿物集合体。土和岩石的最大区别在于岩石的胶结强度一般高于土，岩石中一般赋存节理和裂隙，土则为岩石的风化产物。由于土和岩石的结构性差异，力学行为上表现为不同的本构关系，土的强度取决本身胶结能力，岩石的强度一般取决于结构面强度。对于寒区多年冻土或季节性冻土区，影响土体的物理力学性质主要在于其内部孔隙水（冰）的作用，影响岩石的物理力学性质主要是裂隙水（冰），岩石和土体在低温环境中的渗透性、导热性、电学性质及相应的变化规律均不同[3，6]。

2 建立物理模型

新开挖无防护边坡除了存在原有的构造裂隙外，开挖后由于卸荷作用，会产生一系列向坡面方向松弛的卸荷裂隙，卸荷裂隙的松弛张裂包括原生构造裂隙的张裂和新生裂隙张裂，其发生在一定深度范围内。新开挖边坡长期裸露时，在风化应力作用下产生风化裂隙，呈壳状包裹于坡表。边坡开挖后，浅部一定深度范围内裂隙密集发育，可视为网状裂隙发育带。在网状裂隙切割下，岩体呈无数碎小的块体，可近似为颗粒接触，无数裂隙可视为颗粒间孔隙，此时边坡可视为多孔不连续颗粒材料，可建立模型。

状态1模型如图1所示。

图1 网状裂隙切割岩体呈颗粒体

状态1风化带岩土体能保持稳定状态，主要是颗粒面与面之间的结合力起作用，此时总应力δ≈有效应力δ'。

冬季坡面冰雪融化下渗，水体充填裂隙，形成相对饱水带，对颗粒形成包裹，产生孔隙水压力u，此时总应力δ=有效应力δ'+孔隙水压力u。

外界温度下降到冰点以下，在冻结深度范围内，水凝固为冰，形成坚固的冰土二元体，此时的边坡可视为连续固体材料。与状态1相比，边坡由散体材料变为固体连续材料，边坡更为坚固。

状态2、3模型如图2、图3所示。

图2 坡面冰雪融化下渗作用下裂隙充水

图3 冻深范围内裂隙水结冰，裂隙扩大

边坡由状态2变为状态3时，水变为冰，体积膨胀，完成裂隙横向扩展和竖向延伸过程，即冰劈作用。随着外界温度回升，边坡中的冰融化，再次形成散体颗粒状态，减小了颗粒与颗粒的接触面，有效应力δ'降低，表层冰冻层以上一定厚度土体处于饱水状态，甚至发生坡面渗流。渗透力J大于有效重度γ'时[7]，发生坡面土体流动，坡面上部土体以滑落或滚落的方式运动，堆积于坡脚处。

状态4模型如图4所示。

图4 坡面渗流，颗粒发生移动

高原气候晴天温差变化大，随着气候的循环变化，上述作用循环发生，边坡产生碎落破坏。

经分析，岩质边坡受冰劈破坏一般具备两个基本特征，裂隙发育岩体，岩体中的裂隙为冰劈作用发生的介质即地下水，提供了存贮及运移空间；存在围绕冰点一定温度幅度变化的气候环境，裂隙岩体中的地下水通过状态变化及不同状态下的物理特征，即水结冰后体积膨胀的特征，受裂隙空间约束，产生胀压劈裂作用，使得裂隙持续扩展。

3 岩质边坡受冰劈作用破坏特征主要表现

（1）冰劈作用又称冻融风化，影响深度范围在冻结深度至坡表范围内。冰雪冻融现象主要受气候环境影响产生，根据相关研究及观察，冰冻场地有一定冻结深度，冰劈作用延伸范围只能发生在冻结范围内，即场地最大冻结深度。冻结深度以下主要影响方式为裂隙水压力。

（2）冰劈作用发生使得岩层及裂隙间结合力急剧降低，加速岩体破坏。裂隙水凝结成冰时，体积膨胀，使得岩体裂隙扩张，冰溶解后裂隙水浸润裂隙面及裂隙填充物，将使隙面及充填物产生软化效应。微裂隙岩体在反复冰溶作用下，岩体的c、φ值急剧降低，加速破坏。

（3）冰劈作用使得岩体崩解成为岩屑，破坏形式宏观上主要表现为坡面碎落。冰劈作用发生在冻深范围内，岩质边坡浅层除明显构造裂隙发育外，一般风化裂隙及卸荷裂隙也较为发育，岩体破碎，受冰劈作用破坏崩解块体较小，边坡破坏形式多表现为坡面碎落。

4 结语

通过岩质边坡冰劈作用破坏机制研究及高寒区边坡季节性观测，冬季冰雪冻溶环境下边坡碎落现象明显强于温暖季节雨水影响下的边坡碎落现象，冰劈作用特征明显。冰劈作用下岩质边坡破坏形式主要表现为碎落，影响深度范围及单次碎落方量有限，但长期累积作用下，对边坡的影响效果较为显著。