凍土路基斜坡穩(wěn)定性研究

郎永賢

（青海省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，青海西寧810000）

0 引言

多年凍土區(qū)的路基由于受到循環(huán)凍融的影響，土體的含水量、溫度等會發(fā)生變化，并將由此導(dǎo)致變形量增大。不同于普通地區(qū)的公路建設(shè)，多年凍土地區(qū)的公路在舒適性、耐久性方面存在一定的不足，這也就要求技術(shù)人員嚴格控制路基的穩(wěn)定性[1]。對于路基的變形程度，工程中一般會通過平整度來體現(xiàn)，同時它也能表征結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。若路基在設(shè)計使用年限內(nèi)的沉降量大于容許值，則可視為失穩(wěn)[2]。

1 凍土路基的穩(wěn)定性變化特征

根據(jù)溫度場耦合的凍土斜坡穩(wěn)定性分析理論，選擇極限平衡法來分析不同高度條件下路基受到溫度影響所發(fā)生的穩(wěn)定性變異，評價溫度對路基斜坡穩(wěn)定性產(chǎn)生的影響[3]。

1.1 月份變化特征

在凍土融化的過程中，路基的初始融深一般比較小，且受到凍土融化部分的影響，最危險的滑動面主要出現(xiàn)在凍融界面處，但下滑力往往比較有限，這也使得路基的穩(wěn)定性系數(shù)相對較大。但隨著融化程度不斷加深，斜坡下滑的趨勢也將不斷增加。一般而言，8 月后凍土區(qū)域?qū)π逼挛ｋU滑動面的影響處于較低的水平，最危險的滑動面將不再變化，因此路基的穩(wěn)定性系數(shù)將處于恒定狀態(tài)。

需要注意的是，路基的穩(wěn)定性變化特征并不完全隨著凍融深度的增加而減小，在6～10 月溫度較高的月份，凍融深度減小，但是其穩(wěn)定性系數(shù)變化反而較小。

1.2 地溫變化特征

針對高度為4m 的路基斜坡進行穩(wěn)定性分析，探究其在不同地溫環(huán)境下的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明[4]，不同地溫環(huán)境對路基穩(wěn)定性的影響較小，其最低穩(wěn)定性系數(shù)并未出現(xiàn)變異。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因在于，此次研究的步長選定為1 個月，地溫對路基在全年內(nèi)的穩(wěn)定性不存在顯著影響。

此外，研究結(jié)果還表明[5]，地溫的高低對最低穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)的時間有一定影響?？傮w來看，溫度越低，最低穩(wěn)定性系數(shù)出現(xiàn)得越晚。在暖季初期，由于部分斷面仍存在相同的溫度場，因此在凍融界面處穩(wěn)定系數(shù)形狀較為類似，最早的界面一般與路面保持平行，而在越過坡腳后則與坡面呈現(xiàn)出平行的狀態(tài)。因此，即便地溫條件存在差異，但最危險的滑動面出現(xiàn)的位置及形狀表現(xiàn)出了一致性，由此可以認為，地溫對路基穩(wěn)定性的影響比較有限。

1.3 運行時間變化特征

雖然路基的最低穩(wěn)定性系數(shù)受到地溫的影響比較微弱，但隨著時間的推移，地溫水平將表現(xiàn)出不斷上升的趨勢。不過，即便在這樣的背景下，路基最低穩(wěn)定性系數(shù)的變化也比較微弱，說明路基的穩(wěn)定性與時間之間不存在顯著關(guān)聯(lián)性。

此外，在運營時間發(fā)生推移的同時，路基內(nèi)的水分也會出現(xiàn)一定程度的遷移，若水分逐漸向邊坡腳等位置匯集，則很可能造成該區(qū)域土體強度的損失，進而降低路基的整體穩(wěn)定性。

2 凍土路基穩(wěn)定性影響因素分析

2.1 路基高度

2.1.1 無荷載下路基高度與穩(wěn)定性的關(guān)系

為便于分析，降低工作量，在對不同高度路基進行不同時段的斜坡穩(wěn)定性研究時，選用10 天作為一個分析步長，一年的數(shù)據(jù)量則為36 個，以此得出不同高度及時段，路基的穩(wěn)定情況。

研究結(jié)果表明，提升路基的高度指標對于年最小穩(wěn)定存在著負面影響[6]?；谖覈F(xiàn)行的路基設(shè)計規(guī)范要求，若設(shè)計安全系數(shù)大于1.3，那么設(shè)計高度應(yīng)當被控制在3.56m 以下。

2.1.2 車輛荷載下路基高度與年最小穩(wěn)定的關(guān)系

在實際的路基設(shè)計中，車載效應(yīng)往往不作為穩(wěn)定性計算的影響因素，這主要是由于路基的穩(wěn)定性系數(shù)大多集中在1.2～1.3 的范圍內(nèi)，且其設(shè)計高度較高。因此，即便將車載納入分析范圍，也不會對路基的穩(wěn)定性造成較大影響。但對于凍土路基而言，凍融界面對于其穩(wěn)定性卻存在著比較顯著的影響，尤其是界面形態(tài)不同帶來的影響。在此次研究中，將車輛荷載簡化為恒定的均布荷載，并分別得出10kPa、15kPa、20kPa 三個不同荷載水平下的穩(wěn)定性系數(shù)。

在不同的路基高度下，車輛荷載的影響也存在一定差異。在相同荷載水平下，荷載對高度小、下滑力弱的路基穩(wěn)定性的影響較高度大、下滑力強的路基更為突出。

研究還發(fā)現(xiàn)，若路基高度大于6m，則在15kPa 的車輛荷載水平下，路基穩(wěn)定性將由1.028 降至0.993，因此可以認為路基在這一荷載下的絕對破壞高度為6m。同時，若以1.3 作為設(shè)計安全系數(shù)，則在10kPa、15kPa 及20kPa 的荷載水平下，路基的臨界破壞高度分別為3.05m、2.78m 及2.51m。

2.2 路基坡度

在路基設(shè)計高度較低的項目中，為了保障斜坡的穩(wěn)定性，為公路正常路用性能的實現(xiàn)提供可靠保障，常常會采用放坡的方式進行處理，此次研究也針對不同放坡坡度下斜坡的穩(wěn)定性進行了探究。

研究結(jié)果表明，較低的邊坡比會導(dǎo)致斜坡的穩(wěn)定性隨之下降[7]。具體來看，穩(wěn)定性系數(shù)每增加0.1，則邊坡比要相應(yīng)提升0.25。所以，在高度較小的路基中，放坡能夠很好地發(fā)揮作用，且具有顯著的經(jīng)濟優(yōu)勢。

以4m 高的路基為例，在不同的坡比條件下，年最小穩(wěn)定大多集中在暖季初期。在-0.8oC 的條件下，根據(jù)研究中對第9年坡比不同時所對應(yīng)的滑動面、溫度場疊加效果可以發(fā)現(xiàn)，凍融界面的分布與邊坡坡度之間不存在顯著關(guān)系，最危險的位置仍舊出現(xiàn)在凍融界面處。總體來看，相較于下滑力，小坡度邊坡的抗滑力比大坡度邊坡更?。欢坊够Φ姆植紕t有著相反的規(guī)律，從而導(dǎo)致在更小的坡比下，路基穩(wěn)定性有強化的趨勢。

若不考慮對行車荷載的影響，在設(shè)計路基時可將安全系數(shù)定為1.3，由此即可分析得出在坡比為1、1.25、1.5 和1.75 時，其所對應(yīng)的臨界高度分別為2.68m、3.02m、3.45m 和4.05m。在其他參數(shù)滿足設(shè)計基本要求的基礎(chǔ)上，將路基高度控制在合理范圍內(nèi)并采取適當?shù)钠卤?，能夠很好地滿足路基穩(wěn)定性的要求。此外，為了盡可能提升項目的經(jīng)濟效益、減少工作量，可在設(shè)計中適當增大坡比。

2.3 護道

根據(jù)上文對坡比作用的分析可以發(fā)現(xiàn)，當路基高度定為較高水平時，為了保障路基斜坡的穩(wěn)定性，一般需要調(diào)小邊坡坡比，但由此也會顯著增加土方量，并降低項目的整體效益，此時可通過護道形成對坡腳的反壓，從而解決這一問題。

此次研究選用1.5 坡比的路基進行分析，在其上附加護道后完成穩(wěn)定性計算，護道的高度及寬度分別為1.5m、3m，其坡比仍保持為1.5。

不同于未附加護道時最小穩(wěn)定性主要出現(xiàn)在暖季早期，附加護道后，最小穩(wěn)定性出現(xiàn)的時間表現(xiàn)出了一定的后移，在暖季中期較為集中。

以高度為5.5m 的路基為例，暖季早期未附加護道的路基與加設(shè)護道的凍融界面較為相似，首先與地表平行，隨后發(fā)展至與坡面平行，同時兩者最危險的滑動面也較為相似?；瑒用嫖恢玫募舫隹跒槁坊碌拙€，若在其上附加1.5m 的護道，往往能夠表現(xiàn)出較好的反壓效果，這也就等效于將原有路基的高度從5.5m 降至4m。隨后，伴隨著融深的不斷深入，凍融界面也持續(xù)下降，使得剪出口暴露在護道平臺、坡面及坡底位置。由于凍融界面的抗剪承載力較差，因此在這一過程中，土體的抗滑力可視為恒定，但下滑力的增長卻較為顯著，使得斜坡的穩(wěn)定性不斷下降。此后，融深的進一步發(fā)展使得抗滑力逐漸增加，斜坡的穩(wěn)定性也隨之增強。

研究結(jié)果表明[8]，附加護道對于高度較小的路基穩(wěn)定性有較好的強化效果，而隨著路基高度的提升，護道所帶來的穩(wěn)定性增強效果也將逐漸衰弱，在路基高度增至一定限度后，附加護道甚至還會對斜坡的穩(wěn)定性帶來負面影響。但這一現(xiàn)象在較高的車輛荷載作用下會有所減弱。

需要注意的是，在附加護道后，年最小穩(wěn)定所對應(yīng)的凍融界面有所變化，相較于未附加護道時更加平緩，因此其抗滑力也就更大，同時滑體的體積也會更大。

對于高度較小的路基而言，其下滑力一般較小，且坡腳位置的反壓效應(yīng)更為突出，因此，凍融界面的平緩分布將使下滑力占據(jù)主導(dǎo)，附加護道后斜坡的穩(wěn)定性也會更好。

但伴隨著路基高度不斷提升，下述兩類情況將導(dǎo)致附加護道對增強斜坡穩(wěn)定性的作用發(fā)生衰減，甚至?xí)a(chǎn)生負面影響。

2.3.1 路基高度越高，附加護道所產(chǎn)生的反壓作用越微弱，且在行車荷載作用下也具有相似的結(jié)論。

2.3.2 路基高度越高，凍融界面越陡，甚至?xí)c未附加護道時相似，進而減弱凍融界面平緩所帶來的抗滑力的增強效果。同時，附加護道時的下滑力較未附加時更大，因此斜坡的穩(wěn)定性將有所降低。

對于高度較小的路基而言，附加護道對其穩(wěn)定性有顯著效果，但在路基高度、車輛荷載增加的情況下，這一積極作用將被削弱，甚至起到負面影響。因此，在設(shè)計護道時應(yīng)結(jié)合路基高度及車輛荷載進行考慮，確定護道可能帶來的影響效果。

2.4 路面寬度

在控制坡比為1.5 的同時，選擇不同路面寬度展開邊坡穩(wěn)定性分析，探究路面寬度帶來的影響。研究表明，對于相同路基高度而言，暖場早期的溫度分布比較相似，其凍融界面都是先沿著平行于地表的方向發(fā)展，隨后變?yōu)槠叫杏谄旅妫@也使得最危險滑面較為相似。從而可以確定，不同路面寬度下的斜坡穩(wěn)定性較為接近，可忽略由此帶來的影響。

3 凍土路基下臨界高度關(guān)鍵參數(shù)的確定

為了確保在凍融條件下路基仍能保持良好的力學(xué)性能，在設(shè)計時需要合理確定路基高度。一般來說，路基的最大高度可按下式（1）進行計算：

式（1）中：Hsx、Fs、p分別為上臨界高度、路基穩(wěn)定系數(shù)、荷載。

圖2 邊坡比與凍土路基穩(wěn)定性關(guān)系

根據(jù)圖1 至圖3 可以看出，1∶1.5 偏坡坡度下的路基，若不計車輛荷載對斜坡穩(wěn)定性的影響，為了將穩(wěn)定性系數(shù)控制在1.3 以上，其設(shè)計高度一般需要低于3.6m。 若假定車輛荷載分別為10kPa、15kPa 及20kPa，那么設(shè)計高度一般需要分別低于3.1m、2.8m及2.5m。這一研究結(jié)果與工程實踐經(jīng)驗之間比較接近。若實際工程中受到地形、地勢、斷面設(shè)計等方面的制約而無法適應(yīng)設(shè)計要求，那么可以采取調(diào)整邊坡坡度或附加護道的方式來強化路基穩(wěn)定性。

圖1 不同荷載作用下的穩(wěn)定性系數(shù)

圖3 無荷載下附加護道后穩(wěn)定性對比圖

4 結(jié)語

本文對不同條件下凍土路基斜坡的穩(wěn)定性進行了分析，探究了不同因素的影響效應(yīng)，特別是路基高度、護道以及路面寬度對穩(wěn)定性的作用規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，路基一般在暖季出現(xiàn)年最低穩(wěn)定性系數(shù)，同時也會受地溫影響，地溫越高其出現(xiàn)的時間越晚。此外，路基高度越高，年最低穩(wěn)定性也會呈現(xiàn)削弱的趨勢，這為凍土地區(qū)公路建設(shè)提供了理論支持。