沈宇鵬,吳 艷，許兆義,王連俊

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院,北京 100044； 2.山東省臨沂市蘭山區(qū)水務(wù)局，山東臨沂 276000)

1 概述

隨著輸油管道、青藏公路與青藏鐵路的相繼修筑,凍土工作者越來越重視研究多年凍土地區(qū)中邊坡穩(wěn)定性問題。在高溫極不穩(wěn)定凍土區(qū)(年平均地溫Tcp高于-0.5℃)中,高含凍量和強(qiáng)降雨勢(shì)必造成凍土斜坡更加不穩(wěn)定,因此需要對(duì)此類地段上的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。

從青藏公路和青藏鐵路不同時(shí)期的凍土工程地質(zhì)調(diào)查,認(rèn)為凍土斜坡失穩(wěn)可以分為正凍土滑坡和正融土滑坡兩種類型[1]。正融土滑坡包括融凍泥流、熱融滑塌兩種類型；正凍土滑坡包括蠕變型滑坡和崩塌型滑坡兩種類型。熱融滑塌是青藏高原多年凍土區(qū)特有的邊坡失穩(wěn)形式,滑動(dòng)規(guī)模和速度遠(yuǎn)比一般滑坡小,但在多年凍土地區(qū)普遍存在,本文的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)也針對(duì)這種常見的破壞形式。圖1、圖2分別是熱融滑塌的整體圖和熱融滑塌前緣圖。

圖1 熱融滑塌整體

圖2 熱融滑塌前緣

McRoberts和Morgenstern[2]認(rèn)為,即使在坡角小于1°時(shí),凍土邊坡也將出現(xiàn)失穩(wěn),因此用常用的極限平衡法無法適合此類計(jì)算。Weeks[3],R.J.Chandler[4]用“冰堵法”分析Vestspitsbergen凍土斜坡穩(wěn)定性,其實(shí)質(zhì)為,融土的下臥層阻止了孔隙水的向外排出,從而形成了超孔隙水壓力；Skempton和Hutchinson[5]認(rèn)為在富冰黏土斜坡中,引起失穩(wěn)的主要原因是形成了超孔隙水壓力；Luis E.Vallejo[6]在分析凍土斜坡時(shí)提出建設(shè)性的想法,他們認(rèn)為,斜坡穩(wěn)定性計(jì)算中滑體成份分為兩個(gè)方面,即由大塊體和除大塊體外的似流體,其穩(wěn)定性系數(shù)與大塊體所占總體積多少相關(guān)；由E.C.McRoberts和N.R.Morgenstern[7]提出,由D.E.Pufahl和N.R.Morgenstern[8]改進(jìn),他們引用固結(jié)比R分析斜坡穩(wěn)定性；Foriero等[9]和Charles Harris等[10]把蠕變本構(gòu)關(guān)系引入到凍土邊坡穩(wěn)定性分析中。國內(nèi)關(guān)于凍土邊坡的研究較少,吳瑋江[11]分析黃茨滑坡時(shí),提出季節(jié)性凍結(jié)滯水促滑效應(yīng),認(rèn)為季節(jié)性凍融作用可導(dǎo)致斜坡體內(nèi)地下水的富集和擴(kuò)展,斜坡內(nèi)的土體大范圍的軟化使強(qiáng)度降低,靜水壓力和動(dòng)水壓力的增大等凍結(jié)滯水的效應(yīng),從而促發(fā)滑坡形成。牛富俊[12,13]對(duì)青藏高原風(fēng)火山北側(cè)北麓河地區(qū)具體邊坡進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的計(jì)算安全系數(shù)的計(jì)算公式,文中對(duì)當(dāng)?shù)剡M(jìn)行溫度和水分的監(jiān)測(cè)分析,但并未對(duì)水分和溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析,提出的計(jì)算公式也只限于極限平衡法。靳德武[14]提出了低角度的下凍土斜坡特殊的破壞機(jī)理,即質(zhì)點(diǎn)遷移效應(yīng)和滯水潤滑效應(yīng)；靳德武[1]應(yīng)用有效應(yīng)力原理推導(dǎo)了不同滲流條件下無限坡穩(wěn)定性分析計(jì)算公式,繪制出不同坡度、不同含水條件下的的無限斜坡穩(wěn)定性分析圖表。文獻(xiàn)[15]對(duì)青藏鐵路安多段斜坡路基進(jìn)行了穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)和分析,并得到了不同時(shí)間的穩(wěn)定性系數(shù)。

2 熱融滑塌的機(jī)理分析

當(dāng)活動(dòng)層的凍土融化后,堅(jiān)硬的巖土塊體和液狀泥漿組成了液固混合物,這種物質(zhì)抗剪強(qiáng)度很低或無抗剪強(qiáng)度,容易產(chǎn)生大致平行于坡面的滑動(dòng)面；由于熱融滑塌的物質(zhì)為融流體,因而在很緩的斜坡上也可能發(fā)生滑塌的現(xiàn)象,其滑塌物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。熱融滑塌失穩(wěn)因素可以歸結(jié)為：(1)內(nèi)在因素。厚層地下冰的存在,且埋藏深度較淺,易受地表氣溫的變化的影響；(2)誘發(fā)因素。不良人為干擾引起的厚層冰的暴露,且使坡體形成臨空面而使其失去支承力。

圖3 熱融滑塌物質(zhì)運(yùn)動(dòng)軌跡[1]

熱融滑塌的形成機(jī)理可以理解為,在厚層冰前緣由于一次偶然的事件而形成了臨空面,在融化季節(jié),在臨空面的地下冰發(fā)生融化,使其上的融土失去支承而在自重作用下塌落,引起第一次土體坍塌。塌落的物質(zhì)掩蓋了坡腳及兩側(cè)暴露的冰層,在融化季節(jié),厚層地下冰本身及已坍塌的土體中的地下冰融化,在重力作用下,水分不斷下滲、凝集,水分的影響包括對(duì)土體強(qiáng)度和應(yīng)力狀態(tài)的影響兩個(gè)方面,融化水使冰面以上的土體處于飽和、過飽和狀態(tài),這種土體含水量的變化,最終導(dǎo)致土體強(qiáng)度的降低；由于地下水自身重力、滲透過程中浮托力作用降低了有效應(yīng)力,這種應(yīng)力調(diào)整朝著不利于斜坡穩(wěn)定方向發(fā)展。而地下冰面又是一個(gè)良好的滑動(dòng)面,由于滑塌體的滑動(dòng)面為厚層地下冰層,下滲滯水的潤滑作用使沿冰面的摩擦系數(shù)急劇減小,從而使土體很容易沿冰面滑動(dòng)。這種呈流塑狀態(tài)的飽和、過飽和的粉質(zhì)黏土,在聚集于冰面與土層間的水的潤滑作用下產(chǎn)生滑動(dòng)。已坍塌的土體滑動(dòng)后,為后繼土體的坍塌提供了新的空間,并引起地下冰的暴露,地下冰再次融化。斜坡土體進(jìn)一步開裂、坍塌,為土體滑動(dòng)提供了新的物質(zhì)來源,坍塌體在“滯水潤滑效應(yīng)”作用下發(fā)生新的滑動(dòng),新的滑動(dòng)孕育著新的坍塌。這種周而復(fù)始的融凍作用產(chǎn)生的溯源滑塌引起了較大體積的土體運(yùn)動(dòng)。

3 影響因素的分析

3.1 凍融交界面的影響

從地基土的抗剪強(qiáng)度來看,暖季凍融交界面(天然上限附近)的抗剪強(qiáng)度較小。同時(shí),從監(jiān)測(cè)的水平位移量變化特征來看,水平位移主要發(fā)生在人為上限以上的土體,而人為上限以下土體的位移量很小,確定凍融交界面為潛在滑移面[15,16]。

這個(gè)界面是隨季節(jié)變化的面,在暖季(9～10月),界面埋深最大,嚴(yán)冬時(shí),界面可到地表。多年凍土區(qū)的地質(zhì)模型,不是一般意義上的巖性分層或力學(xué)分層,而是以融化層和凍結(jié)層交界面,作為分層依據(jù),將土體分為“一元”或“二元”結(jié)構(gòu)。依據(jù)凍融界面位置和活動(dòng)層的地溫特征將凍土路基劃分為4個(gè)不同時(shí)期：冬季嚴(yán)寒期(1～2月)、春夏融化活動(dòng)期(3～8月)、夏秋最大融深期(9～10月)及回凍活動(dòng)期(11～12月)。凍融交界面的水分在一年四季中是變化的,每年4月初地表開始融化,凍結(jié)層上水開始形成,此時(shí),凍結(jié)層上水向下垂直滲透,直至當(dāng)前時(shí)刻的凍融鋒面,而下覆的凍土為隔水層,水分將在交界面上富集；每年的9月下旬(路基體的時(shí)間為每年的10月中下旬)達(dá)到最大融化深度,即為多年凍土天然上限(路基為人為上限),凍結(jié)層上水的運(yùn)行方向開始由垂直運(yùn)移變化沿凍融交界面的形態(tài)滲流；每年的11月上旬,多年凍土的活動(dòng)層開始雙向凍結(jié),下層凍融鋒面(人限附近)由于融土和凍土存在電位差,因而水分都向凍結(jié)鋒面聚集。多年凍土由于自由水的參與,改變了土質(zhì)骨架的組構(gòu),同時(shí),水分在凍融交界面起著潤滑作用,從而大大降低了該位置土體的強(qiáng)度。

3.2 夏秋季強(qiáng)降雨的影響

降雨使土體含水量增高,從而降低了凍土的強(qiáng)度。同時(shí)由于降雨,使得凍土路基中的水壓力進(jìn)行重分布,改變了路基土和地基土的抗剪強(qiáng)度。同時(shí),凍土中雨水的滲入,也影響著凍土路基的熱平衡,相當(dāng)于把地表熱量帶入到邊坡內(nèi)部。

安全系數(shù)與大氣降水的關(guān)系,在負(fù)溫季節(jié),凍結(jié)的活動(dòng)層和多年凍土層相銜接,斜坡穩(wěn)定性系數(shù)具有很高的數(shù)值。在正溫季節(jié),土層由上往下融化,并且隨著解凍厚度的增加穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低。在夏末達(dá)到最低值。在不同的年度,這一最低值的大小取決于夏季的氣溫及持續(xù)時(shí)間。在這一地區(qū),溫度是斜坡穩(wěn)定性的決定因素,同時(shí),其穩(wěn)定性系數(shù)也與土層中水分遷移變化有關(guān)。葉米里揚(yáng)諾娃考慮彼喬拉河河口的安全系數(shù)與降雨的關(guān)系見圖4[17]。

圖4 降雨量與穩(wěn)定性系數(shù)的關(guān)系

傳統(tǒng)土力學(xué)理論中,邊坡穩(wěn)定分析方法是建立在剛體平衡假設(shè)基礎(chǔ)之上的,同時(shí)只是考慮飽和狀態(tài),但此理論尚不能定量考慮雨水入滲對(duì)斜坡路基穩(wěn)定性的影響機(jī)理。近年來,隨著非飽和土力學(xué)理論的發(fā)展,且測(cè)試非飽和土參數(shù)手段的提高,為穩(wěn)定分析中考慮降雨入滲的影響提供了新的理論基礎(chǔ)。在降雨入滲過程中,隨著雨強(qiáng)和時(shí)間變化,土體飽和區(qū)以及非飽和區(qū)的含水量也在不斷發(fā)生變化。因此,必須考慮在降雨入滲條件下的滲流場(chǎng)變化,通過對(duì)飽和-非飽和滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬研究,確定土坡體內(nèi)滲流場(chǎng)分布,在此基礎(chǔ)上探討由于滲流場(chǎng)變化而導(dǎo)致的土坡穩(wěn)定性變化的影響。

降雨入滲的過程是隨著表面的含水量不斷變化的,降雨的入滲率與降雨的強(qiáng)度、土體性質(zhì)、地形及植被覆蓋有關(guān)。

4 凍土斜坡路基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

4.1 極限平衡法評(píng)價(jià)天然邊坡穩(wěn)定性

4.1.1 評(píng)價(jià)方法的對(duì)比分析

由于凍土的特殊性,常用以下5種方法計(jì)算凍土邊坡的穩(wěn)定性,這幾種不同的穩(wěn)定性計(jì)算方法均基于極限平衡法。表1為不同評(píng)價(jià)凍土邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。

表1 不同評(píng)價(jià)方法匯總

分析國內(nèi)外凍土斜坡穩(wěn)定性計(jì)算方法,認(rèn)為表1中各種方法有如下優(yōu)缺點(diǎn)。

(1)第1和第2兩種方法引用了殘余黏聚力和殘余內(nèi)摩擦角的概念,比較符合實(shí)際的情況,而殘余強(qiáng)度可以用現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試。

(2)第3種方法Vallejo是獨(dú)具匠心,但對(duì)于測(cè)定其大塊占總體積的比例不容易測(cè)定,同時(shí),也不易測(cè)定熱融泥流流體的重度。

(3)方法4,將斜坡失穩(wěn)歸結(jié)于孔隙水壓力,并將水壓力分成3個(gè)部分,即由滲透壓力、由自重產(chǎn)生的固結(jié)壓力和由融化產(chǎn)生的固結(jié)壓力。

(4)方法5中,添加了主動(dòng)土壓力,但由于熱融滑塌的深度不大,主動(dòng)土壓力所占比例很小,因此常不能符合實(shí)際要求。

4.1.2 例證

對(duì)青藏鐵路安多段現(xiàn)場(chǎng)的自然邊坡進(jìn)行驗(yàn)證,判斷各種計(jì)算方法的合理性。

取γw=10 kN/m3,γ=17.5 kN/m3,γ′=7.5 kN/m3,γs=24.0 kN/m3,γf=13.0 kN/m3,β=10.0°,φ′=12.0°,Dw=2.0 m,Z=3.0 m,Cu=12.0 kPa,C′=0 kPa,α=0.9,Cv=0.5。

表2 各種計(jì)算方法的穩(wěn)定性系數(shù)

從計(jì)算結(jié)果來看,方法1計(jì)算時(shí),邊坡已處于破壞狀態(tài)；而方法5計(jì)算時(shí),邊坡處于極限狀態(tài)。事實(shí)表明,安多試驗(yàn)段的自然邊坡已出現(xiàn)了熱融滑塌,因此,方法1比較符合實(shí)際計(jì)算。由于天然斜坡的不穩(wěn)定,因此在此路段填筑路基,需要對(duì)地基土進(jìn)行處理,比如將熱融滑塌的地基土挖除,再用粗顆粒土換填,并在路基上游側(cè)設(shè)置隔水埝阻止地表水浸入。

4.2 改進(jìn)極限平衡法穩(wěn)定性評(píng)價(jià)斜坡路基穩(wěn)定性

4.2.1 改進(jìn)極限平衡法的計(jì)算思路

改進(jìn)極限平衡法是直接使用有限元分析得到的應(yīng)力場(chǎng)評(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性問題,可追溯到Kulhawy(1969)的博士論文,方法的難點(diǎn)及要點(diǎn)在于準(zhǔn)確有效的從有限元結(jié)果中插值出所需要的應(yīng)力

Sr=sβ=[C′+(σn-ua)tanφ′+(σn-ua)tanφb]β

(1)

Sm=τmβ

(2)

F=Sr/Sm

(3)

式中,F為穩(wěn)定性系數(shù)；S為條形寬度中心的有效剪切強(qiáng)度；Sr為破壞面上的抗剪強(qiáng)度；Sm為破壞面上的剪切力；β為條形寬度；σn為土條的正壓力；ua為基質(zhì)吸力；τm為土條的剪切力；C′、φ′分別為有效黏聚力和內(nèi)摩擦角；φb為吸力方面的摩擦角。

4.2.2 工程實(shí)例

以安多試驗(yàn)段DK1503+500為例進(jìn)行分析,其路基面按Ⅰ級(jí)鐵路次重型軌道類型標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),基床厚度2.5 m,其中表層0.6 m,底層1.9 m。試驗(yàn)段的路基結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)幾何不對(duì)稱,路基寬度為8.3 m,在路基底部設(shè)置了拋片石,并在路基上游側(cè)設(shè)置擋水埝。

根據(jù)地溫特征[15],將路基和地基劃分以下5層：路基填料、片石層、融化的粉質(zhì)黏土、凍結(jié)的粉質(zhì)黏土和泥巖(物理力學(xué)參數(shù)見表3)。為了考慮降雨作用下的邊坡穩(wěn)定性,先對(duì)斜坡路基進(jìn)行滲流分析,其計(jì)算水頭作為邊坡穩(wěn)定性分析外力。在改進(jìn)極限平衡評(píng)價(jià)過程中,考慮地震荷載作用,只是將地震荷載作為水平體力(靜力)。降雨滲透計(jì)算和地震力穩(wěn)定性計(jì)算見文獻(xiàn)[15]。

表3 凍土路基各地層的物理力學(xué)參數(shù)

計(jì)算過程模型及結(jié)果見圖5和圖6及表4所示。從表4可以看出,沿?zé)崛诮缑?人為上限)的穩(wěn)定性系數(shù)小于圓弧型滑面。而當(dāng)把滲透力和地震力加入到評(píng)價(jià)模型中,則斜坡路基已出現(xiàn)了破壞。

圖5 滑面沿?zé)崛诮唤缑?沒有考慮水壓力)

圖6 滑面沿?zé)崛诮唤缑?考慮水壓力和地震力)

表4 改進(jìn)極限平衡法計(jì)算穩(wěn)定性系數(shù)

5 結(jié)論

(1)凍土熱融滑塌的機(jī)理是歸結(jié)為存在埋藏深度較淺的厚層地下冰和不良人為干擾使坡體形成臨空面而使其失去支承力。

(2)凍融交界面(天然上限)處的強(qiáng)度是決定凍土邊坡穩(wěn)定性的重要因素,而夏季強(qiáng)降雨也是影響凍土邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

(3)通過青藏鐵路安多段邊坡穩(wěn)定性的驗(yàn)證,認(rèn)為方法1比較符合實(shí)際計(jì)算。

(4)改進(jìn)極限平衡法能計(jì)算較復(fù)雜的凍土斜坡穩(wěn)定性,文中安多試驗(yàn)段斜坡路基在受到降雨和地震力共同作用下將出現(xiàn)“失穩(wěn)”；因此需要加強(qiáng)排水設(shè)施和提高抗震等級(jí)。

[1]靳德武.青藏高原多年凍土區(qū)斜坡穩(wěn)定性研究[D].西安：長安大學(xué),2004.

[2]McRoberts E C, Morgenstren N R. The stability of thawing slopes[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1974,11:447-469.

[3]Weeks A G. The stability of natural slopes in south-east England as affected by periglacial activity[J]. Quarterly Journal of Engineering Geology, 1969,2:49-63.

[4]Chandler R J. Solifluction on low-angled slopes in Northamptonshire[J]. Quarterly Journal of Engineering Geology, 1970(3):65-69.

[5]Skempton A W, Delory F A. Stability of natural slopes in London clay. Proceedings[J]. 4th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, London, England, 1957,2:278-381.

[6]Luis E. Vallejo, A new approach to the stability analysis of thawing slopes[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1980(17):607-612.

[7]McRoberts E.C. and Morgenstren N.R., Stability of slopes in frozen soil[J]. Mackenzie valley, N.W.T. Canadian Geotechnical Journal, 1974(11):554-573.

[8]Pufahl D E, Morgenstren N R. Stabilization of planar landslides in permafrost[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1979(16):734-747.

[9]Foriero A, Ladanyi B, Dallimore S R, et al. Modelling of deep seated hill slopes creep in permafrost[J]. Canadian Geotechnical Journal, 1998(35):560-578.

[10]Charles Harris and Antoni Lewkowicz G., An analysis of the stability of thawing slopes[J]. Ellesmere Island, Nunavut, Canada. Canadian Geotechnical Journal, 2000(37):449-462.

[11]吳瑋江.季節(jié)性凍結(jié)滯水促滑效應(yīng)-滑坡發(fā)育的一種新因素[J].冰川凍土,1997,19(4):359-365.

[12]牛富俊,張魯新,等.青藏高原多年凍土區(qū)斜坡類型及典型斜坡穩(wěn)定性研究[J].冰川凍土,2002,24(5):608-613.

[13]牛富俊,程國棟,等.青藏高原多年凍土區(qū)熱融滑塌型斜坡失穩(wěn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,26(3):402-406.

[14]靳德武,孫劍鋒,付少蘭.青藏高原多年凍土區(qū)兩類低角度滑坡災(zāi)害形成機(jī)理探討[J].巖土力學(xué),2005,26(5)：774-778.

[15]沈宇鵬.青藏鐵路安多段多年凍土斜坡路基穩(wěn)定性研究[D].北京：北京交通大學(xué),2007.

[16]章金釗,等.凍土路基穩(wěn)定性主要影響因素探討[J].公路,2000(2):17-20.

[17](蘇)Е·П·葉米里揚(yáng)諾娃,滑坡作用的基本規(guī)律[M].鐵道部科學(xué)研究院西北研究所滑坡研究室，譯.重慶：重慶出版社,1986.