冻土地区边坡稳定性研究进展.docx

    冻土地区边坡稳定性研究进展    张凡　刘志强摘 要：总结冻土地区边坡与常温边坡稳定性影响因素、冷暖交替的外在气候变化引起的冻土地区边坡冻融循环的特殊性、寒区边坡稳定性分析方法的研究进展以及水热力耦合在寒区边坡稳定性研究中的重要性等问题，以期为今后的边坡稳定性防护治理提供参考关键词：冻土地区;冻融循环;冻土边坡;边坡稳定性：TU445 ：A ：1003-5168（2021）29-0133-06Research Progress of Slope Stability in Permafrost RegionZHANG Fan LIU Zhiqiang（School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou Gansu 730070）Abstract： To summarize the influencing factors of slope stability in permafrost area and normal temperature slope， the particularity of freeze-thaw cycle of slope in permafrost area caused by alternating cold and warm external climate change， the research progress of slope stability analysis method in cold area， and the importance of hydro thermal coupling in slope stability research in cold area， so as to provide reference for future design， protection and treatment.Keywords： permafrost region;freeze thaw cycle;frozen soil slope;slope stability邊坡土体的冻胀融沉是影响冻土地区边坡稳定的主要因素。

在冻结过程中，未冻土体水分在冻融交界面积聚时释放热能，从而影响温度场的变化温度场的改变使土体中产生温度梯度引起水分迁移，温度变化和水分迁移又改变了应力场和位移场的分布因此，边坡土体的冻结和融化过程及其与周围环境的相互作用使冻土地区边坡的稳定性研究面临更大的挑战针对冻土地区边坡与常温边坡相比的特殊性及国内外学者提出的稳定性分析方法做出简要综述，希望为今后的研究提供一定的参考1 冻土地区边坡的特殊性边坡的稳定性不仅与结构形态、力学特性等内部因素有关，而且与外界因素密切相关，如在气候条件、地下水、人类活动、边坡形态、地震作用与坡体植被的作用下，边坡耐久性和抵抗力下降，最终失稳破坏由于寒区边坡所处环境的复杂性，陈玉超[1]将常温边坡与寒区边坡的上述影响因素进行比较相较于常温边坡，冷暖交替的外在气候变化引起的冻融循环是影响冻土地区边坡稳定的特殊因素，其使得边坡岩土体外部的水分场、温度场及应力场与岩土体相互耦合形成了热力学动态过程，其内部的应力应变效果明显与常温状态下的边坡不同现主要从冻土地区边坡的冻结过程、融化过程及冻融循环过程3部分内容来进一步探讨寒区边坡的特殊性1.1 边坡的冻结冬冻期，温度降低及土体水分冻结产生的冻胀力作用于边坡。

季节活动层内原本处于流动状态的水分在冻融界面汇聚，向坡体内部发展此时，温度较高的底部土层与上部土层形成温度梯度，土体水分向表层的冻结土层迁移吴玮江[2]发现，具有呈脉状分布的地下水并以泉的形式排泄的边坡，冻结作用改变了边坡地下水排泄条件，土体水分向表层的冻结土层迁移，导致边坡内地下水位升高，土体软化范围增大且岩土体的有效压力降低，从而降低了边坡稳定性该过程被称为“冻结滞水效应”，当滞水效应不断积累达到一定程度，就会促进滑坡的产生冻结边坡还有可能发生蠕变滑坡青藏高原属于典型的多年冻土地区，试验结果表明[3]，蠕变主要在冬夏两季发生，其发展过程可以分为两个阶段：①在边坡冻结过程中，土体沿坡面的垂直方向凸起，而后发生融沉时沿该坡面的垂直方向下降并向下坡移动;②在边坡融化过程中，原冻结土层的上层土体发生融化形成季节融化层，该土层在自身重力作用下顺坡面垂直水平方向进行蠕变和发育，沿着坡面的垂直方向逐步减小直至消失长期的蠕变必将造成斜坡大规模的失稳破坏[4]MCROBERT[5]的试验结果发现，在低应力条件下，边坡的土体都有可能发生蠕变，且与边坡的倾斜度大小无关2001年，MATSUOKA N等[6]从蠕变的角度出发探究季冻区边坡产生泥流失稳的原因。

研究表明，泥流的产生主要与外界气温、边坡坡度大小和含水量有关1.2 边坡的融化气温回升使覆盖在边坡上的积雪和原冻结土层开始融化，融化层的范围不断扩大直至趋于稳定，上部融化层的水分被冻融界面阻断无法向下部冻结土层渗透，降雨量增加、泥流融冻、热侵蚀等方面的作用使冻结土体的范围、风化侵蚀、冻胀冻裂、冰锥体等影响因素受到阻碍，土体上部逐渐形成的季节融化层的水分又增大了其天然湿度，这为融冻泥流的发育和形成创造了前提条件它是边坡工程建设中一种独特而又极其多变的发展过程，且多发生于局部冻结发展很深的多年冻土地区和季节性冻土地区[7]例如，青藏高原风火山斑口盆地地区的融冻泥流阶地型斜坡[8]，已融土体在重力作用下沿斜坡冻融交界面向下滑移，形成由饱和状态下的草皮苔藓、泥沙混合物组成的泥流埋深较浅的厚层地下冰在自然状态下受到外部气温的影响，形成冰土分界面相对隔水且抗剪强度极低的滑坡条件，融化土体在其重力影响下沿冰面进行水平移动形成滑坡，这是热融滑塌形成的内在因素;由于不合理取土或自然应力侵蚀引起的厚层地下冰暴露且使坡体形成临空面从而导致边坡失去支承力，是热融滑塌形成的外在因素富含极厚或透镜状地下冰的山谷底部、盆地及平缓山坡山地区域等都是热融滑塌的高发地段，如青藏高原内部低山陵、风火山、可可西里等代表性地区。

靳德武[8]归纳了热融滑塌的失稳因素，并通过模型试验和数值模拟推导了不同渗流条件下无限斜坡稳定性分析的计算公式王绍令等[9]发现热融滑塌是多年冻土区常见的斜坡破坏形式，并提出了建筑场地应尽量远离其发生位置，无法避免时应采取措施挡住坍塌物，增加覆盖层，人为控制其破坏牛富俊等[10]提出热融滑塌对工程建设的危害最为严重并提出防治措施，并对热融滑塌发生的坡体地址、地质水文和变形特点进行研究，发现富冰冻土和土坡开挖是滑坡产生的根本原因，且温度变化和坡向都会对滑坡的扩展范围、滑动速率及含水量产生影响1.3 冻融循环冻融循环使寒区土质边坡的结构和力学特征较常温边坡发生了显著变化，主要表现在其孔隙率、渗透性、含水量及土壤强度等方面早在1979年，CHAMBERLAIN等[11]研究发现冻融会导致土的孔隙率减小和垂直渗透率增加QI J L等[12]发现，单次冻融循环会使土体的干密度和黏聚力减小，内摩擦角增大FERRICK M G[13]等发现，冻融循环对土坡作用的深度、广度以及持久度与土坡的原始状态、含水量有直接关系，且土坡上部土体的强度不断降低直至边坡达到临界状态后失稳破坏我国学者也在该领域取得了一定成就。

齐吉琳等[14]以兰州黄土和天津粉质黏土为土样代表，分析了冻融循环后土体的强度参数变化、孔隙的等效直径、形状参数、走向和面积的分布情况，以及冻融对强度改变与微观结构改变的联系冯勇等[15]对不同变量的细粒土进行冻融循环均匀正交试验结果表明，正交后的细粒土在冻融循环次数的增加下土体黏聚力c、内摩擦角[φ]呈下降趋势，且含水量是首要影响因素程永春等[16]提出，增加含水率和冻融循环次数，会使边坡滑动破坏的临界深度逐渐降低并趋于该地区平均最大冻结深度，并建立了切合实际的冻融循环作用下临界深度模型刘红军等[17]通过开展冻融对边坡土体抗剪强度指标影响的试验研究发现，黏聚力在土体最佳含水率时达到最大值，内摩擦角与含水率呈负相关总结以上研究结果可以得到以下结论：土体发生冻融使内部结构稀疏多孔，且其间隙度也随之增大渗透性的增大主要是由于在冻融边界处水分流动，使得土体下层渗流能力加强含水率与土壤温度呈正相关，即由于温度的升高而使土壤融化，土体的含水率也随之增大;反之，土体含水率下降土体的黏聚力、抗剪强度是边坡工程设计中常用的参数，随着长期的冻融循环作用，土体的黏聚力、抗剪强度及变形模量会发生不同程度的规律性变化。

边坡冻融滑塌主要表现为距坡面20～120 cm深度范围内的浅层滑塌，并多集中在20～70 cm其冻融滑塌机理包括两个方面：一是冻融循环作用下的土体重力侵蚀蠕动;二是冻结面下降形成的滑床现象[18]滑塌主要有三种表现形式：上部滑塌式、中部滑塌式、整体滑塌式武鹤等[19]发现“水线”的存在、未冻结土体的饱和度与饱和层厚度是引起冻融滑塌的主要因素，边坡朝向、日照时长、边坡坡度、季节降水量、土体密实度和渗透率也对滑塌现象的产生具有或多或少的影响，并解释了“水线”的概念：前期风化侵蚀形成的破坏面与后期沉积在其上方的土体形成的交界面韩继国等[20]针对季冻区边坡冻融滑塌现象，总结了土体侵蚀破坏的类型和影响因素通过对边坡冻融滑塌失稳的理论分析和计算，发现边坡坡度接近冲刷临界坡度时最易发生水力冲刷破坏在冻融循环作用下，岩质边坡因岩性不同使其力学特性各异且较为复杂林战举等[21]对碎屑岩、泥岩和砂岩开展循环冻融试验，发现3种岩石的弹性模量、刚性模量、体积模量、泊松比等力学特性随着循环冻融次数增加而下降，且泊松比出现负值;孔隙率较高的泥岩和砂岩的各项力学参数下降速度更快，且岩石抗压强度与循环冻融次数呈负相关。

闻磊等[22]对花岗斑岩、灰岩、石英砂岩进行冻融过程的模拟试验，研究并绘制了冻融次数与试样抗压强度、抗拉强度、冻融系数的拟合关系曲线王乐华等[23]发现随着冻融次数增加，层理砂岩的强度减小且真空后饱和砂岩的劣化程度更大徐拴海等[24]开展了饱和砂岩的冻融循环试验结果表明，岩样的微裂隙率、质量和饱和含水率等物理性质指标与冻融循环次数呈正相关尽管各个学者的研究结果略有差异，但仍可以得到以下结果：岩石经历不同的冻融次数后表面会产生微细裂纹孔隙率越大，岩石破坏越严重，其质量变化率越高，这是由水分的补充、水分和固体颗粒的缺失导致的对于孔隙率较低且颗粒致密的岩石，其质量变化率主要由水分缺失和补给引起表层崩塌是岩质边坡在冻融循环作用下表现出的破坏模式，主要发生于含有纵横交错的裂隙且含水量较高的岩质边坡巖体本身的破碎特性，再加上水转化成冰的冻胀力超过岩体强度，使其产生裂缝进而更加破碎，坡体表面的岩块会剥离崩落融化过程中，这种变形不能完全恢复，坡体水分沿岩石体的裂缝不断渗入，从而加剧了岩石内部的缩胀、损伤开裂及薄弱层软化等一系列物理、力学的交替变化在长期冷暖交替的冻融循环过程中，大多数高、陡的岩土体的力学特性逐渐降低，裂隙不断扩展贯通，最终形成崩塌。

杨更社等[25]利用CT扫描分析冻融循环条件下的岩石损伤扩展特性，将冻融循环次数和岩石的损伤变量联系起来，建立了较为真实的岩石损伤扩展本构关系刘成禹等[26]以花岗岩为试样进行试验，发现冻融循环对岩体强度、刚度及变形特性均有较大影响，损伤扩展的机理是裂隙增大、增多或发生扩展，从而使岩石强度、刚度降低，变形增大2 冻土地区边坡的稳定性分析中国幅员辽阔，寒区面积约占国土面积的30%相对一般地区而言，寒区岩土体受温度影响，在冻胀、融沉的作用下，地质环境脆弱，常发生边坡失稳破坏，造成经济损失，甚至是人员伤亡因此，明确边坡的稳定性，对边坡进行合理防护，有助于防灾减灾随着技术手段不断发展，对边坡稳定性的。