冻融环境条件下华南地区边坡的稳定性研究

摘 要：冰雪天气与地质灾害的发生具有密切关系。为分析冻融环境条件下的地质灾害发育特点及其发生机制，本文采用度—日融雪模型计算冰雪融化量。通过直剪试验，测得土体在非冰冻和和冰冻后的强度参数，再利用Geo-SLOPE软件模拟边坡在天然状态、冰雪荷载作用、冰雪融水入渗3种工况下的稳定性。结果显示，冻融环境加剧了坡体的裂隙发育及土体软化，边坡稳定性系数降低。本文为研究冻融环境条件下边坡稳定性的研究提供了理论依据。

关键词：边坡稳定性；冻融环境条件；融雪模型；直剪试验；冰雪荷载；冰雪融水

中图分类号：TU 457 文献标志码：A

在全球变暖的前提下，极端异常天气频频出现。以华南冰雪灾害为例，冰雪灾害下导致高速公路边坡失稳为代表的地质灾害复杂多变。尤其是极端冰雪灾害导致的大量冰雪融水向边坡入渗，将改变边坡渗流场及岩土体物理力学性质，从而为地质灾害的发生提供了可能性。为分析冻融变化对岩、土体物理力学特性的影响，国内外在相关方面进行了大量研究，并取得一系列成果。张祥松等[1]指出土的冻结、融化过程改变了其物理力学性质，孔隙比、压缩系数、渗透性明显增大，单轴和三轴试验抗剪强度降低。张勇等 [2]介绍了冻胀融沉问题和人工冻土冻胀融沉问题的特殊性，提出了冻胀机理和冻胀预报模型。葛琪等[3]系统地分析了岩石受冻融循环影响的冻融破坏过程、影响因素，研究了其冻融破坏机理[4]。本文在深入研究冰雪灾害条件下，对云茂高速公路某高海拔边坡病害进行研究，模拟分析冰雪融化过程及冰雪融水入渗引起的边坡稳定状态，对高速公路边坡的稳定控制具有重要的意义。

1 融雪模型的应用

1.1 极端冰雪条件下的天气特征

本文的研究条件是极端冰雪灾害，将天气过程分为3个过程[3]。1）持续低温期。气温在0℃左右，温度较低，并伴有冰雪天气，地面覆盖较厚冰雪。2）温度回升期。气温逐渐升高，日均涨幅约为0.4℃/d，此期间，冰雪开始消融，有降雨，降雨等级为中雨，主要集中在2个时间段。3）恢复正常期。冰冻雨雪天气结束，天气变化逐渐恢复至往年春季正常状态。

1.2 基于度—日模型计算模拟冰雪条件下融雪过程

基于上述冰雪灾害期间的气象资料，本文采用了输入数据少、计算公式简单的度—日模型[5-6]来模拟春季冰雪灾害期间的冰雪融化过程。

1.2.1 融化时间的选择

在度—日模型中，对融雪产生影响的是正积温，即大于冰的融点的温度，因此选择温度为0℃为融化时间。

1.2.2 度—日因子的确定

度-日因子选择为3.0mm/（d·℃）。

1.2.3 计算

根据度—日模型的计算公式，消融水当量为度日因子与正积温的乘积[3，7]。

综上所述，得到的模拟结果见表1。

本文模拟结果得到了2月4日—2月22日每日的冰雪融化量，这段时间的总融化量为315mm，日均融化量为16.58mm/d。

2 极端冰雪灾害条件下边坡稳定性分析

本文取云茂高速公路边坡残积粉质黏土，在完成一系列常规试验的基础上模拟冻融环境，进行了土样的温度变化试验和含水量变化试验分析，较系统地研究了重塑粉质黏土的单向冻胀性和未冻土以及融土间的力学参数变化，为我国研究南方冰雪作用下土体性质变化特别是边坡稳定性提供一定的参考。

冰冻状态下的抗剪强度是验证冰冻状态下土体强度的重要指标。试验将土样在恒温-5℃冻结，冻结时间为12h，将冻结土样放在剪切仪上进行剪切试验，试验温度为0℃～5℃。每次试验进行1组，1组为4个样，分别施加50kPa、100kPa、150kPa、200kPa的法向压力，汇总得到其摩擦角和黏聚力。冰冻后的土样如图1所示，剪切破坏后的土样如图2所示，天然状态下不同温度下的试验结果如图3所示，土体冰冻状态下50kPa、100kPa、150kPa、200kPa的法向压力的抗剪强度如图4所示。

3 极端冰雪条件下边坡稳定性分析的数值模拟

GEO-SLOPE是边坡工程中广泛应用的一种稳定性分析软件，提供了基于极限平衡法的多种边坡稳定计算方法[8]。本文在前人研究的基础上，利用GEO-SLOPE软件中的SLOPE/W模块功能，对理想化边坡进行稳定性计算和分析，分别计算各工况下其安全系数，结果为今后极端冰雪条件下的边坡研究提供可借鉴的方法。

3.1 理想化模型

为了研究的普遍性和简单化，本文采用的边坡模型为理想化均质土坡模型。边坡几何数据：宽25m，坡高9m，地面以下土体厚为5m，坡脚分别为30°、45°和60°。边坡为均质土坡，土坡的物理力学参数以南方地区广泛发育第四系粉质黏土为原型。

试验结果如下：渗透系数为0.04m/d～8.28m/d，物理力学参数表见表2。

3.2 天然状态下的边坡稳定性分析

本文采用M-Price搜索到滑动面，该滑动面计算出来的安全系数为最小稳定性系数。本组试验采用在天然状态下不同坡角（30°、45°、60°）的边坡稳定性系数，坡体土层物理力学参数如下：γ=16kN/m3，C=21.1kPa，φ=35°，计算结果见表3。

根据前述计算结果，在边坡土体具有相同物理力学参数的条件下，随着坡角增加，边坡的安全系数呈逐渐降低的趋势。此外，边坡坡角增加会导致滑动面的深度减小，因此也进一步降低了边坡的稳定性。

3.3 考虑冰雪荷载作用下边坡稳定性分析

3.3.1 相同冰雪覆盖层厚度时，不同坡度的边坡稳定性分析

计算冰雪覆盖层厚度为1m、边坡为45°时，分别计算考虑冰冻层存在和忽略冰冻层存在的边坡稳定性系数。

分析忽略冰冻层存在时的边坡稳定性，各参数如下：冰雪覆盖层厚度为1m，坡体土体容重、黏聚力、摩擦角分别为γ=16kN/m3、C=21.1kPa、φ=35°，边坡坡角分别为30°、45°、60°，结果见表4。

计算考虑冰冻层存在时的边坡稳定性，坡体各参数如下：冰雪覆盖层厚度为1m，冰冻层厚度为20cm，土体参数为γ=16kN/m3、C=29.5kPa、φ=31°，非冰冻层土体参数为γ=16kN/m3、C=21.1kPa、φ=31°，边坡坡角分别为30°、45°、60°，结果见表5。

3.3.2 不同厚度的冰雪覆盖层下，不同坡度的边坡的稳定性分析

边坡物理力学参数如下：容重γ=16kN/m3，C=21.1kPa，φ=31°。

当雪厚度分别为10cm、30cm、50cm、70cm、1m及1.5m时，采用M-Price法搜索到的可能滑动面，该滑动面计算出来的安全系数为最小安全系数，结果见表6。

以冰雪覆盖层厚度为横坐标，对应的稳定性系数为纵坐标作图，如图5所示。

从以上计算结果可知，在边坡土体物理力学参数相同的情况下，随着冰雪覆盖层厚度增大，边坡的稳定性系数越小，即边坡越不稳定。

观察潜在滑动面情况，随着冰雪覆盖层变厚，潜在滑动面越来越浅，并且对坡体的破坏越来越大。

由图6可以看出，无论哪种情况，随着坡角增大，稳定性系数降低，在冰雪荷载和表层冰冻的情况下，边坡稳定性系数进一步降低，冰冻层对计算结果的影响不大。

3.4 融雪水入渗作用下的边坡稳定性分析

有学者认为在极端冰雪条件下，持续低温期间，边坡稳定性计算的参数可选择天然状态下力学参数[9]。因此，本文计算参数如下：γ=17kN/m3，C=20kPa，φ=25°，边坡坡角分别为30°、45°、60°。

冰雪融雪入渗使边坡非饱和区土体孔隙水压力增大，土壤颗粒与周围水分之间的相互作用力降低。本文假设条件当入渗量为16.58mm/d时，入渗时间为19d，模拟的边坡土层渗透系数分别为0.05m/d、0.075m/d、0.1m/d，计算结果见表7。

由图7可知，随着边坡坡角增大，在相同的融化强度和渗透系数下，边坡的稳定性系数下降；而在相同融化强度下，渗透系数不同，边坡稳定性系数也不同，随着渗透系数增大，边坡稳定性系数降低，两者呈反关系。出现这种情况的原因是对非饱和土来说，土的基质吸力提供了部分抗剪强度，随着冰雪融水不断入渗，边坡逐渐向饱和状态发展，基质吸力下降，强度逐渐降低。因此，渗透系数越大，入渗速度越快，基质吸力下降越多。

4 结语

通过上述试验可知，冰雪灾害对边坡的稳定性影响体现在多方面。1）冰雪融水入渗改变了入渗层岩土体的物理力学性质，造成坡体含水量增大，容重发生改变。岩土体体积会收缩，在坡体上形成裂隙，使坡体产生裂隙。这些裂隙形成了入渗通道，增加了水的入渗量。2）当某段时间内，温度升高幅度较大，冰雪融水量很大，融雪强度极易大于边坡饱和入渗系数，不能入渗的融雪水在地表汇流。而当温度缓慢升高时，冰雪融化将是一个长期而缓慢的过程，某一时段内冰雪融水量不大，此时融雪强度相对于边坡饱和入渗系数要小很多，地表不容易形成径流。3）针对具有不同坡角的边坡，无论在那种情况下，随着坡角增大，边坡稳定性系数减小；冰雪荷载下，边坡稳定性系数降低较小；在相同的融化强度和渗透系数下，边坡的稳定性系数下降；而在相同融化强度下，渗透系数不同，随着渗透系数增大，边坡稳定性系数降低。

参考文献

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[2]张勇，刘时银.度日模型在冰川与积雪研究中的应用进展[J].冰川冻土，2006，28（2）：101-107.

[3]CAZORZI F，DALLA FONTANA G.Snowmelt modeling by combining air temperature and a distributed radiation index.[J].Journal of Hydrology，1996（181）：169-187.

[4]葛琪，李京子，武鹤，等.基于有限差分法的季冻区公路土质路堑边坡稳定性分析[J].黑龙江工程学院学报.2017，31（1）：4.

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[8]马巍，刘端，吴青柏.青藏铁路冻土路基变形监测与分析[J].岩土力学，2008，29（3）：571-579.

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