武 鶴， 劉瑩瑩， 葛 琪

(1．黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150050； 2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院， 武漢 430074；3．哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150076)

土質(zhì)路塹邊坡凍融淺層的滑塌機(jī)理與數(shù)值模擬

武 鶴1,2， 劉瑩瑩3， 葛 琪1

(1．黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150050； 2．中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院， 武漢 430074；3．哈爾濱遠(yuǎn)東理工學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150076)

春融期土質(zhì)路塹邊坡經(jīng)常發(fā)生淺層滑塌。在新近滑塌的哈同公路土質(zhì)路塹坡體附近取樣，測(cè)量邊坡滑塌時(shí)邊坡土體的含水率、黏聚力及內(nèi)摩擦角等參數(shù)的變化，并研究土體抗剪強(qiáng)度隨深度的變化規(guī)律。通過數(shù)值模擬，分析土質(zhì)邊坡自凍結(jié)開始至春融期全部融化約200 d的溫度變化規(guī)律。結(jié)果表明：隨著深度的增加，含水量先增加后降低，土體抗剪強(qiáng)度呈先減小后增加的趨勢(shì)，在融化界面處土體基本達(dá)到飽和狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度極低；邊坡達(dá)到最大凍結(jié)深度后，自坡面開始向坡體內(nèi)部融化，至一定深度時(shí)坡體發(fā)生破壞。該研究成果對(duì)春融期土質(zhì)路塹邊坡滑塌治理具有重要的指導(dǎo)意義。

土質(zhì)邊坡； 凍融滑塌； 邊坡穩(wěn)定性； 數(shù)值模擬

0 引 言

我國(guó)季節(jié)性凍土分布較為廣泛，受西伯利亞冷空氣影響，我國(guó)東北部地區(qū)冬季較長(zhǎng)，春季早晚溫差較大，尤其黑龍江省境內(nèi)，春融期凍融循環(huán)現(xiàn)象明顯，在春融期，土質(zhì)路塹邊坡經(jīng)常發(fā)生凍融淺層滑塌現(xiàn)象。對(duì)于黏性土體，春融期邊坡解凍融化，其內(nèi)部冰晶 體融化水分較難排出，更多的含在黏土層內(nèi)部，導(dǎo)致黏土層內(nèi)部某處達(dá)到飽和，抗剪強(qiáng)度迅速下降，在有風(fēng)荷載或震動(dòng)荷載等作用下，極易發(fā)生滑落。滑塌不僅降低了公路沿線的美觀，而且嚴(yán)重危害路基的使用壽命。因此，有必要對(duì)該類環(huán)境條件下土質(zhì)邊坡春融期發(fā)生淺層滑塌進(jìn)行研究，以期發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生滑塌的一般規(guī)律，并對(duì)此找到更為合理的防治措施。

文中以同三公路哈爾濱至佳木斯段某處路塹邊坡為例，介紹邊坡發(fā)生淺層滑塌的原因，采用數(shù)值分析軟件GEO-studio分析路塹邊坡的溫度變化分布情況，給出其一般的滑動(dòng)規(guī)律。

1 淺層滑塌研究現(xiàn)狀

對(duì)于土質(zhì)邊坡淺層滑塌的現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量的研究。葉萬軍等[1]對(duì)洛川黃土邊坡剝落病害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，得出土體經(jīng)過反復(fù)凍融循環(huán)導(dǎo)致強(qiáng)度弱化，經(jīng)過凍融循環(huán)10次左右，土體的力學(xué)參數(shù)趨于穩(wěn)定。土體凍結(jié)時(shí)，坡體內(nèi)水分向凍結(jié)面處遷移；土體融化時(shí)，過多的水分附存在凍融界面處，軟化界面土體強(qiáng)度。夏瓊等[2]對(duì)蘭新鐵路路基凍結(jié)過程中的水分遷移及凍脹規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，認(rèn)為土凍結(jié)后發(fā)生水分重分布。在封閉系統(tǒng)下，凍結(jié)后土體上部含水量較大，下部較??；而在開放系統(tǒng)中，土樣凍結(jié)后上、下部含水量均有所增加。葛琪等[3]對(duì)黏性土邊坡凍融界面的抗剪強(qiáng)度參數(shù)衰減進(jìn)行研究，利用最小二乘法擬合出經(jīng)歷n次凍融循環(huán)后的黏性土抗剪強(qiáng)度參數(shù)cn和φn隨凍融循環(huán)次數(shù)n的函數(shù)關(guān)系：

cn=c0×(0.345×e0.28+0.64)，

(1)

φn=φ0×(0.412×e0.214n+0.60)，

(2)

式中：c0、φ0——未經(jīng)歷凍融循環(huán)時(shí)的土體抗剪強(qiáng)度值。

黑龍江地區(qū)春融期晝夜溫差較大，春融期間幾乎每個(gè)晝夜均發(fā)生凍融循環(huán)，由式(1)、(2)可估計(jì)n次循環(huán)后的強(qiáng)度參數(shù)。武鶴等[4-6]對(duì)寒區(qū)土質(zhì)邊坡凍融滑塌影響因素進(jìn)行研究，認(rèn)為融化土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角以及融化深度對(duì)安全系數(shù)影響顯著，當(dāng)坡體融化至一定深度時(shí)，凍融界面飽和土體抗剪強(qiáng)度小于上覆土體下滑力時(shí)邊坡發(fā)生滑塌。王寧等[7]研究了凍融循環(huán)對(duì)季節(jié)凍土區(qū)黃土路塹邊坡的影響，得出凍融循環(huán)或由凍融循環(huán)所引起的干濕循環(huán)是導(dǎo)致黃土強(qiáng)度損失的主要原因。胡偉等[8]研究?jī)鋈谘h(huán)對(duì)蘭州黃土邊坡穩(wěn)定性的影響因素，認(rèn)為凍融循環(huán)后邊坡自穩(wěn)過程所產(chǎn)生的位移明顯大于凍融前，且位移量隨著土體干重度的增加而越趨明顯。李航等[9]對(duì)凍融循環(huán)作用下路基邊坡穩(wěn)定性變化進(jìn)行研究，認(rèn)為由于凍融循環(huán)作用改變路基邊坡的土體力學(xué)性質(zhì)，從而影響路基邊坡的穩(wěn)定性，邊坡安全系數(shù)將隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而降低，其變化趨勢(shì)與黏聚力的變化相近。以上研究，均是集中在對(duì)凍融循環(huán)條件下土工實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬結(jié)果方面，少有考慮現(xiàn)場(chǎng)條件下邊坡滑塌的抗剪強(qiáng)度變化及溫度從入凍至春融邊坡溫度場(chǎng)情況。因此，該問題的研究對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)春融期邊坡滑塌及防治措施極為重要且不可或缺。

2 凍融淺層滑塌機(jī)理

同三公路佳哈段K523—K524處由于公路設(shè)計(jì)需要，修筑了大量的路塹邊坡，邊坡的高度一般為2～5 m，該路段春融期發(fā)生邊坡淺層滑塌的幾率較高，課題組選取其中一個(gè)新近滑塌的邊坡為研究對(duì)象，滑塌邊坡如圖1所示。邊坡為粉質(zhì)黏土，坡高約4 m，坡率為1∶1.5(33.7°)。其幾何模型如圖2所示。

圖1 路塹邊坡滑塌

圖2 邊坡滑塌幾何模型

2.1 溫度變化分布

對(duì)于黑龍江地區(qū)，凍結(jié)深度自南向北，由東南向西北逐漸加深，最大凍結(jié)深度為2.2 m，地面凍結(jié)日期一般為11月中旬，穩(wěn)定解凍日期為第二年4月中旬。在此環(huán)境下修筑的道路邊坡無一不受冬季凍脹春季融沉的影響，尤其對(duì)于土質(zhì)邊坡來說凍融引起的淺層滑塌現(xiàn)象很常見。溫度變化范圍選取當(dāng)年的10月1日至次年的4月30日共計(jì)212 d。其日平均溫度(θ)變化如圖3所示。

圖3 平均溫度隨時(shí)間變化

2.2 采樣土實(shí)驗(yàn)

為了分析邊坡滑塌的原因，在所選取的滑坡體左右兩側(cè)附近進(jìn)行定深取樣，取樣深度為自地表向下每間隔10 cm取樣一次。測(cè)其含水率w變化關(guān)系，如圖4所示。對(duì)邊坡土樣進(jìn)行三軸壓縮實(shí)驗(yàn)測(cè)得土樣的黏聚力、內(nèi)摩擦角，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖4 含水率沿取樣深度變化

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

由圖4可以看出，含水率隨著取樣深度的增加，呈先增大后減小的趨勢(shì)，在取樣深度為40 cm處含水率最大達(dá)32.1%。圖5為取樣點(diǎn)處土體黏聚力、內(nèi)摩擦角三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以看出，隨著含水率的增加，黏聚力、內(nèi)摩擦角呈先增加后減小強(qiáng)趨勢(shì)，且當(dāng)含水率大于27%時(shí)，飽和度Sr>0.97。

a 黏聚力與含水率關(guān)系

b 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系

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

2.3 抗剪強(qiáng)度變化

對(duì)于某個(gè)特定的邊坡其穩(wěn)定性完全取決于邊坡巖土體的抗剪強(qiáng)度。邊坡滑動(dòng)面上抗剪強(qiáng)度表達(dá)式：

τ=c+γhtanφ，

(3)

式中：τ——剪應(yīng)力；c——黏聚力；γ——土的重度；φ——內(nèi)摩擦角；h——邊坡高度。

根據(jù)式(3)可以得出抗剪強(qiáng)度隨邊坡坡面深度變化關(guān)系，如圖6所示。

由圖6可以得出，隨著邊坡融化深度的增加，邊坡土體抗剪強(qiáng)度先減小而后增加，邊坡30～50 cm處，土體基本達(dá)到飽和狀態(tài)，其抗剪強(qiáng)度較小，上部土體極易發(fā)生淺層滑塌。

圖6 抗剪強(qiáng)度隨深度變化

3 數(shù)值模擬

采用GEO-studio軟件對(duì)邊坡模型進(jìn)行數(shù)值模擬。土質(zhì)邊坡春融期發(fā)生淺層滑塌，主要由溫度場(chǎng)的變化影響改變滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的變化，而三場(chǎng)的耦合作用絕不僅僅是三場(chǎng)分別作用的線性疊加結(jié)果，而是三者相互影響相互作用的結(jié)果。邊坡模型的溫度邊界條件如圖3所示，采用temp模塊進(jìn)行計(jì)算。

3.1 模型及參數(shù)

數(shù)值計(jì)算采用二維平面模型，邊坡高為4.0 m，邊坡長(zhǎng)度為6.0 m，坡率為1∶1.5(坡角約為33.7°)。模型整體高為10 m，長(zhǎng)度為30 m。邊坡土體力學(xué)參數(shù)及幾何參數(shù)見表1。

表1 土質(zhì)邊坡力學(xué)及幾何參數(shù)

3.2 模擬計(jì)算結(jié)果

為了使數(shù)值計(jì)算結(jié)果更具有說服性，土質(zhì)邊坡模擬計(jì)算的時(shí)間從10月1日至次年4月30日，共計(jì)212 d，即模擬邊坡從正溫度逐漸為負(fù)溫度再到春融期邊坡發(fā)生融化這一整個(gè)凍結(jié)融化過程。其中，哈爾濱地區(qū)晝夜溫差較大，春融期時(shí)間較長(zhǎng)，白天邊坡發(fā)生融化，而夜晚溫度驟降,邊坡表面重新凍結(jié)。其凍融循環(huán)次數(shù)較大，故土體凍融界面抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化較小。模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7為10月1日至次年4月30日溫度變化對(duì)邊坡溫度場(chǎng)的影響。圖7a為初始溫度場(chǎng)，可以看出，在起算時(shí)間上地表溫度為正值，溫度等值線為自地面向坡體內(nèi)部不斷減小。圖7b為21 d后(10月21)邊坡溫度分布，可以看出，地表溫度逐漸變?yōu)樨?fù)

a 初始溫度場(chǎng)

b 21 d后溫度分布

c 50 d后溫度分布

d 145 d后溫度分布

e 187 d后溫度分布

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

溫度，而坡體內(nèi)溫度由于初始溫度的影響，在其內(nèi)部?jī)?chǔ)存一定溫度未完全釋放，故坡體內(nèi)部溫度高于坡面溫度。圖7c為50 d后(11月19日)邊坡溫度變化，可以明顯地看出，地表溫度處于負(fù)溫度，地表以下0.5 m深度處為正負(fù)溫度交界面。而坡體內(nèi)部仍殘留初始溫度，較圖7b的溫度值有所下降。圖7d為145 d后(次年2月22日)邊坡溫度等值線，可以看出，邊坡表面處于穩(wěn)定的負(fù)溫度場(chǎng)，邊坡的最大凍結(jié)深度可達(dá)2.0 m，這與哈爾濱地區(qū)平均年最大凍結(jié)深度基本一致。圖7e為187 d后(次年4月5日)邊坡溫度變化，可以看出，隨著春融期外界溫度的升高，邊坡地表溫度逐漸變?yōu)檎郎囟?，坡體表面開始融化，比較圖7d可以看出，隨著外界溫度的升高，最大凍結(jié)深度沒有發(fā)生變化，得出春融期邊坡的融化由坡面開始逐漸向坡體內(nèi)部進(jìn)行。

圖8為土質(zhì)邊坡不同深度處溫度隨時(shí)間變化關(guān)系，其中地表處溫度變化與邊界條件(圖3)溫度變化基本一致，從四個(gè)點(diǎn)處的溫度變化可以看出，入冬期隨著外界溫度降低，邊坡體自表面起溫度變化逐漸變小，地表處變化最敏感。進(jìn)入春融期外界溫度回升，坡體內(nèi)溫度逐漸上升，邊坡自坡面開始逐漸融化。邊坡表面以下2.0 m深度處，最低溫度可達(dá)0 ℃，得出邊坡最大凍深約2.0 m，其后溫度變化越不敏感。

圖8 邊坡溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

圖9為邊坡滑移面及安全系數(shù)，可以得出，在春融期坡體表面融化，巖土體力學(xué)參數(shù)明顯降低，安全系數(shù)為0.95，邊坡極易發(fā)生淺層滑塌。

圖9 邊坡滑移面及安全系數(shù)

4 結(jié) 論

(1)春融期土質(zhì)邊坡含水率隨著深度的增加而呈先增大后減小的趨勢(shì)，含水率最大可達(dá)飽和狀態(tài)。

土體黏聚力、內(nèi)摩擦角隨著含水率的變化，亦呈先增加后減小趨勢(shì)。根據(jù)取樣位置處得出，邊坡土體抗剪強(qiáng)度隨取樣深度的增加呈先減小后增加的趨勢(shì)，在30～50 cm處抗剪強(qiáng)度較小。

(2)寒區(qū)土質(zhì)邊坡溫度自入冬至第二年開春，坡體溫度隨氣候溫度變化由地表正溫變化至負(fù)溫，達(dá)到最大穩(wěn)定凍結(jié)深度后，隨著溫度的回升，自坡面向坡體內(nèi)部逐漸融化，凍融界面處其抗剪強(qiáng)度較低，邊坡極易發(fā)生淺層滑塌現(xiàn)象。

(3)通過對(duì)春融期邊坡滑塌的內(nèi)在機(jī)理分析，結(jié)合數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，推薦以種植喜濕深根植物(柳樹條)為宜，作為土質(zhì)邊坡淺層滑塌的防治措施。

[1] 葉萬軍， 楊更社， 彭建兵， 等． 凍融循環(huán)導(dǎo)致洛川黃土邊坡剝落病害產(chǎn)生機(jī)制的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2012， 31(1)： 199-205.

[2] 夏 瓊， 竇 順， 趙成江． 蘭新鐵路路基凍結(jié)過程中水分遷移及凍脹規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)， 2012， 33(5)： 3-9.

[3] 葛 琪， 何 巖， 陳 瑤. 季凍區(qū)土坡凍融界面土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)衰減[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 2013， 27(3)： 28-32.

[4] 武 鶴， 劉春龍， 葛 琪. 寒區(qū)土質(zhì)邊坡凍融滑塌影響因素的研究[J]. 水利與建筑工程學(xué)報(bào)， 2015， 13(1)： 1-5.

[5] 武 鶴， 高 偉， 王國(guó)峰, 等. 寒區(qū)路塹人工土質(zhì)邊坡滑塌原因及穩(wěn)定技術(shù)研究[J]. 黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005, 19(2)： 1-4.

[6] 武 鶴， 高 偉， 王國(guó)峰, 等. 寒區(qū)公路土質(zhì)路塹邊坡滑塌原因及其防治[J]. 自然災(zāi)害學(xué)報(bào)， 2006， 15(3)： 66-70.

[7] 王 寧， 毛云程， 張德文, 等. 凍融循環(huán)對(duì)季節(jié)凍土區(qū)黃土路塹邊坡的影響[J]. 公路交通科技， 2011， 76(4)： 79-84.

[8] 胡 偉， 呂玉香， 姚曉亮, 等. 凍融循環(huán)對(duì)蘭州黃土邊坡穩(wěn)定性的影響分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2009, 23(9)： 7214-7221.[9] 李 航， 于 玲. 凍融循環(huán)作用下路基邊坡穩(wěn)定性變化研究[J]. 路基工程， 2011， 35(5)： 26-32.

(編輯 晁曉筠 校對(duì) 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

黑龍江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E201117)

武 鶴(1963-)，男，黑龍江省鶴崗人，教授，碩士，研究方向：道路工程與冰凍防治技術(shù)，E-mail:hgcwuhe@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.012

U416.13

2095-7262(2017)05-0503-05

A