凍融循環作用下黃土邊坡的淺層滑動探討

黃文強

(蘭州理工大學土木工程學院，蘭州 730050)

在季節性凍土區，黃土邊坡內部的水分會在凍融作用下發生遷移，土體的物理性質也會在凍融過程中發生改變，致使土體強度減小，最終導致邊坡失穩。土體物理力學性質的變化是影響邊坡穩定性的重要因素，對此，許多學者進行了試驗研究。Skarzynska[1]通過室內凍融循環試驗后，發現黃土的密度、孔隙率受凍融作用的影響較大，而且土體中的水分會產生不均勻分布的現象。Aoyama等[2]通過室內試驗分析黃土等各類土體在凍融循環的過程中抗剪強度的變化情況，認為凍融作用會造成土體力學性能的劣化。李國玉等[3]、穆彥虎等[4]對重塑黃土進行了反復凍融試驗，研究土的性質在凍融作用下發生的變化，試驗結果表明，在補水條件下，隨凍融次數的增加，試樣的含水率亦會增加，而試樣的干密度則隨之降低。楊更社等[5-6]采用計算機體層攝影(computed tomography,CT)技術對凍融黃土進行分層掃描，發現黃土在凍結的過程中發生了水分遷移，黃土各層的密度與體積均發生了改變。Roman等[7]通過觀察凍融后的黃土試樣后發現，試樣內部存在裂縫，并且土顆粒的分布有明顯的變化，認為這是造成土體強度降低的原因之一。Alkire等[8]在凍融循環和反復加載的條件下對黃土進行不排水三軸剪切試驗，分析了黃土的變形特性和抗剪強度變化情況，發現黃土的抗剪強度在反復凍融后有所降低。董曉宏等[9]研究了多次凍融作用下黃土的抗剪強度特性，結果表明在含水率不變時，黃土的黏聚力在3～5個循環周期內降到最低值，但其內摩擦角基本不變。丑亞玲等[10]研究發現，非飽和黃土在反復凍融后，其黏聚力和內摩擦角對抗剪強度的貢獻發生改變。宋春霞等[11]通過實驗研究發現凍融循環作用對不同干容重的黃土具有強化與弱化的二重性。

針對凍融作用對黃土邊坡穩定性的影響，學者們進行了大量的研究。王加龍[12]研究認為，路塹邊坡在凍融滑塌時，其滑動面上層土體處于飽和狀態，且滑動面平行于坡面。張輝等[13]通過現場測試發現在凍融交界面處土體的含水率最高，邊坡土體易沿該面發生破壞。葉萬軍等[14]對洛川黃土邊坡在凍融作用下產生剝落病害的原因進行了試驗分析，認為土體融化時，水分遷移到一定位置聚集，形成水冰交界面，由于水的軟化作用及冰的促化效應致使水冰交界面易成為剝落面。馬世雄[15]對黃延高速公路邊坡剝落病害展開研究，同樣認為邊坡土體的水冰交界面為剝落面的可能性最大。王掌權等[16]采用有限元強度折減法分析了黃土邊坡在反復凍融作用下的穩定性變化，得出了凍融作用下黃土邊坡的滑動面與凍融深度線高度重合的結論。邊曉亞等[17]利用畢肖普法和牛頓迭代法分析了凍融作用下黃土邊坡的穩定性，發現凍融作用對邊坡土體的干容重的影響存在二重效應。胡偉等[18]通過有限元強度折減法分析飽和蘭州黃土邊坡的穩定性，認為凍融作用下土體干容重的改變是影響邊坡穩定性的重要因素。

可見，淺層邊坡土體在凍融循環之后，其內部水分會發生遷移從而形成最大含水層，該層抗剪強度相對較弱，在自重或外荷載作用下容易崩滑。回顧相關文獻綜述，學者們主要通過分析黃土凍融界面的物理力學特性來探討凍融作用下黃土邊坡的穩定性，而在實驗時，試樣常處于三向受凍狀態。實際上，邊坡土體在受凍時，一般為自上而下的一維凍結，此狀態下，土體內部水分遷移趨勢及最大含水層位置的研究成果較少，需要進一步探索。根據邊坡淺層土體實際的凍融情況，選擇一維凍融循環試驗和直剪試驗，測定反復凍融作用下黃土內部水分的分布情況，確定黃土內部最大含水層的位置及其抗剪強度在反復凍融作用下的變化趨勢，探究反復凍融作用下黃土邊坡淺層土體穩定性的變化機理。此外，根據黃土邊坡淺層滑塌的特點，在對比不同的邊坡穩定性分析方法后，選用Janbu法來分析工程案例中凍融黃土邊坡淺層土體各層的安全系數，進而探討了反復凍融作用對黃土邊坡淺層土體穩定性的影響。

1 材料及試驗方案

本試驗主要分為不補水一維凍融循環試驗及直剪試驗兩大部分。試驗所用黃土取自蘭州某路基工程旁的邊坡土體，依據中華人民共和國行業標準《公路土工試驗規程》(JTG E40—2007)[19]對原狀土測定其物理性質指標，如表1所示。將土體風干碾碎過0.5 mm篩后，以原狀土的干密度為控制密度配制成不同含水率(8.5%、10.5%、12.5%、14.5%)的試樣，實驗所用模具的底面直徑為61.8 mm，高125 mm，采用靜壓法將不同含水率的試樣分5層壓實，用保鮮膜進行全包裹，且用保溫棉管對試樣的四周及底部進行密封，部分凍融試樣如圖1所示。

表1 黃土的基本物理參數

圖1 凍融試樣

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

2.1.1 未凍融黃土的抗剪強度

圖2為不同含水率w的試樣在100、200、300、400 kPa四組壓力下所得的應力-應變曲線。在各個壓力下，不同含水率試樣的應力-應變曲線呈應變軟化型，且初始含水率對試樣的強度影響比較明顯。

圖2 不同初始含水率下土的應力-應變曲線

圖3為初始含水率對試樣抗剪強度參數的影響。對土體抗剪強度參數隨含水率的變化進行回歸分析后發現，黏聚力c與含水率存在一定的函數關系，而內摩擦角φ與含水率的關系不明顯，可見含水率對黃土抗剪強度的影響主要表現在對黏聚力的影響。回歸方程如表2所示，試驗結果所得未凍融試樣的c、φ值如表3所示。

表2 黏聚力與含水量的回歸方程

表3 未凍融黃土抗剪強度參數

圖3 初始含水率對抗剪強度參數的影響

2.1.2 凍融黃土各層含水率測定

考慮到凍融循環的過程中存在水分損失，對凍融循環后的試樣進行稱重并測定實際總含水量，采用烘干法測定黃土各層的實際含水量，計算黃土各層含水量占試樣總含水量的比值fi，計算公式為

(1)

式(1)中：mi為第i層的水土質量和，g；msi為第i層土的質量，g；m0為凍融試樣總質量，g；ms0為凍融試樣中土的質量，g。

進行三組平行試驗并計算平均值，計算結果如表4所示。分析可知，在反復凍融作用下，黃土內部水分產生了不均勻分布，并且土體含水量出現了峰值效應，其中，w=8.5%時，黃土的最大含水層為第3層，且不隨凍融次數的增加而發生改變；10.5%≤w≤12.5%時，隨著凍融次數的增加,黃土的最大含水層從第3層逐漸遷移至第2層并保持穩定；w=14.5%時，黃土的最大含水層為第2層，且不隨凍融次數的增加而發生改變。

表4 黃土各層含水量測定

2.1.3 凍融黃土抗剪強度參數測定

根據表2所得試樣各層含水率的變化情況，測定黃土最大含水層及下部土層的抗剪強度參數，測定結果如表5所示。

結合表3～表5可知：凍融次數和初始含水率的大小是影響黃土抗剪強度的主要因素，含水率和凍融次數的增加均會引起黃土抗剪強度的降低，并且在反復凍融作用下，土體內部的水分在遷移時發生聚集并凍結，融化后的水分會滯留在原凍結區域，產生最大含水層。其中，黃土的含水率和凍融次數均較低時，參與遷移凍結的水分較少，土體結構受到的破壞程度較低，凍融作用加強了土顆粒間的黏結性，故表現為土體的黏聚力增加，內摩擦角基本不變；黃土的含水率或凍融次數增加時，土體內部參與凍結遷移的水分也會增加，因此土體結構受到的破壞程度增加，致使其抗剪強度降低。此外，含水率較低時，由于參與遷移和凍結的水分較低，因此凍融次數的增加對最大含水層位置的影響程度較低；含水率較高時，參與遷移和凍結的水分較多，因此凍融次數的增加對最大含水層位置的影響比較明顯。當最大含水層處較大尺寸孔隙的總面積所占的比例較大時，該處的水分主要進行的是原位凍結，表現為土體最大含水層的位置不隨凍融次數的增加發生明顯的變化。

表5 黃土各層抗剪強度參數測定結果

2.2 黃土最大含水層的黏聚力

圖4為試樣黏聚力隨凍融循環次數變化的曲線，可以看出：w=8.5%時，黃土的黏聚力隨凍融次數的增加呈增加—減小的趨勢；w≥10.5%時，試樣的黏聚力隨凍融次數的增加呈持續減小的趨勢。隨著凍融次數的增加，各含水率黃土黏聚力減小的幅度有所降低。

圖4 凍融循環次數對黏聚力的影響

圖5為試樣黏聚力隨含水率變化的曲線，可以看出：黃土的黏聚力隨含水率的增加呈持續減小的趨勢，并且凍融次數越大，黏聚力越小，且隨含水率增加而降低的幅度越小。

圖5 含水率對黏聚力的影響

2.3 黃土最大含水層的內摩擦角

圖6為試樣的內摩擦角隨凍融次數變化的曲線，可以看出：經過第一次凍融循環后，w=8.5%試樣的內摩擦角基本不變，其余試樣的內摩擦角有所下降，且含水率越高，下降幅度越大；隨著凍融循環次數的增加，各含水率試樣的內摩擦角均呈降低的趨勢。圖7為試樣的內摩擦角隨含水率變化的曲線，可以看出：在未進行凍融循環時，各含水率試樣的內摩擦角基本相同；隨著含水率的增加，各凍融循環條件下試樣的內摩擦角均呈降低的趨勢。

圖6 凍融循環次數對內摩擦角的影響

圖7 含水率對內摩擦角的影響

綜上所述，黃土最大含水層的抗剪強度受初始含水率和凍融次數的共同影響。當含水率和凍融次數均較低時，參與遷移凍結的水分較少，土體結構受到的破壞程度較低，凍融作用加強了土顆粒間的黏結性，故表現為土體的黏聚力增加，內摩擦角基本不變。當含水率或凍融次數增加時，參與凍結的水分增加，對土體結構造成了明顯的破壞，表現為黏聚力和內摩擦角的減小。隨著凍融次數的增加，參與凍結的水分逐漸趨于穩定，對土體結構的破壞程度不再有明顯的增加，表現為黏聚力和內摩擦角的降低幅度逐漸減小。

3 黃土邊坡淺層土體穩定性分析

3.1 計算模型

查閱歷年蘭州地區邊坡土體平均凍結深度，可知平均凍結深度為1.03 m。將邊坡凍結區的土體劃分為5層，每層0.206 m。邊坡模型如圖8所示。

ABCD為邊坡凍融層單位體積，m3；L為邊坡凍融層的單位長度，m；W為單位體積土層的自重應力，kPa；τ為凍融交接層處的剪應力，kPa；σ為凍融交接層處的正應力，kPa；H為邊坡凍融總厚度，m；h為邊坡凍融土體劃分厚度，m

計算過程中對邊坡進行如下假定：①邊坡土體均勻分布；②滑動面平行于坡面；③不考慮土條間作用力；④不考慮地下水的影響；⑤坡面無不良地質作用。依據計算模型及假定，可認為滑動面處土體的黏聚力和內摩擦角處處相等；滑動面與坡面相平行，即滑動面上部土重處處相等；滑動面與平面的夾角即為坡角。根據表1、表2計算各土層上覆土重，計算公式為

(2)

式(2)中：Wi為第i層土體上的自重應力，kPa；ρ為土體干密度，g/cm3；fi為第i層土體含水量所占整體含水量的比值；hi為第i層土體厚度，m。

3.2 工程概況

選擇取土現場的黃土邊坡為研究對象，其邊坡土體的基本物理參數如表1所示，邊坡坡角為45°，無地下水補給，無不良地質情況。

3.3 邊坡淺層土體安全系數計算

根據黃土邊坡淺層滑塌的特點，應選用適合非圓弧滑動面的方法分析邊坡淺層土體的穩定性。對比各種分析邊坡穩定性的方法時，發現Janbu法[20]、擴展Bishop法[21]和Spencer法[22]均可用于分析邊坡土體任意滑動面的穩定性。其中，擴展Bishop法計算簡便，精度高，但在分析邊坡穩定性時，取矩中心的不同會影響計算結果；Spencer法計算簡便，可靠性強，但對滑裂面端部土體傾角的假定存在一定的盲目性；Janbu法在分析邊坡穩定性時，考慮了邊坡土體內部的薄弱層，而薄弱層是影響滑動面形態的重要因素，在邊坡土體滑移面及滑移范圍難以確定時，所得計算結果的可靠度相對較高，但計算過程相對復雜[23]。因此，在分析土質邊坡在凍融過程中的淺層滑塌現象時，Janbu法相較于其余兩種方法而言其適用性更好。

為分析黃土最大含水層的位置及其抗剪強度對邊坡淺層土體穩定性的影響，現利用Janbu法計算黃土邊坡淺層土體的安全系數Fs，求解方法為

(3)

根據直剪試驗結果，可將邊坡淺層土體最大含水層及下部土層均視為潛在滑動層。為驗證上述假設，基于文獻[20]研究成果，并結合表1和表5計算黃土邊坡淺層土體最大含水層及下部各土層的安全系數Fs，所得結果如表6所示。

表6 Janbu法計算結果

3.4 計算結果分析

分析Janbu法所得結果，發現反復凍融作用下淺層土體各層安全系數的變化情況相同，其中：當w=8.5%、n=1時，邊坡淺層土體最大含水層的安全系數較大，邊坡淺層土體的安全系數隨融化深度的增加而減小，n>1時，邊坡淺層土體的安全系數在最大含水層處最小，且不隨凍融次數的增加而變化；當10.5%≤w≤12.5%時，土體最大含水層的位置在凍融作用向坡面遷移，最大含水層處的安全系數隨凍融次數的增加呈減小-增加-減小的趨勢；當w=14.5%時，土體最大含水層的位置在第1次凍融后便保持穩定，且安全系數最小，因此淺層土體的穩定性隨凍融次數的增加持續減小。

由表6可知，3種計算方法所得邊坡安全系數的差別不大，其中Janbu法計算所得結果略低于擴展Bishop法和Spencer法，說明Janbu法在分析邊坡穩定性時偏于保守，這與鄧東平等[20]、劉秀軍[22]利用不同方法分析邊坡穩定性時所得結果相同。

在實際工程中，應根據邊坡土體的力學性能和所處環境選擇不同的分析方法。當邊坡土體力學性能相對較高，且周圍無重要建筑物時，可考慮采用擴展Bishop法和Spencer法進行安全性分析。在蘭州地區，黃土產狀豐富，結構復雜，濕陷性大，是典型的不良土體，區域內山丘林立，溝壑縱橫，這給相關工程建設帶來了一定難度。考慮到黃土邊坡淺層土體的力學性能在反復凍融作用下的變化情況，建議在基于反復凍融作用的條件下分析蘭州地區黃土邊坡淺層土體穩定性時，采用計算結果更為保守的Janbu法。現根據Janbu法計算結果分析含水率和凍融次數對土體最大含水層的影響。

圖9為土體最大含水層的安全系數隨凍融循環次數變化的曲線。w=8.5%時，其安全系數隨凍融次數的增加持續降低；10.5%≤w≤12.5%時，其安全系數隨凍融次數的增加呈減小-增加-減小的趨勢；w≥14.5%時，其安全系數隨凍融次數的增加持續降低。圖10為土體最大含水層的安全系數隨含水率變化的曲線。n≤4時，土體最大含水層的安全系數隨含水率的增加呈減小-增加的趨勢；8≤n≤12時，土體最大含水層的安全系數隨含水率的增加出現增加-減小的趨勢；n=16時，土體最大含水層的安全系數隨含水率的增加持續降低。

圖9 凍融次數對安全系數的影響

圖10 含水率對安全系數的影響

綜上所述，邊坡淺層土體最大含水層的穩定性受含水率和凍融次數的共同影響。在邊坡淺層土體最大含水層位置未改變或變化至穩定時，該處的穩定性最低，在邊坡發生淺層滑塌時，作為滑動面的可能性最高；在最大含水層發生變化時，土體最大含水層的安全系數有所增加，此時邊坡淺層土體的穩定性隨凍融深度的增加而降低。因此，在實際工程中，需要根據邊坡淺層土體的含水率以及在凍融作用下各深度土體含水率的變化情況，對邊坡穩定性進行綜合分析，并采用合理的方式對邊坡土體進行加固等防護措施。

4 結論

通過試驗測定了反復凍融作用下黃土各層的含水率及抗剪強度參數的變化情況，并以Janbu法分析反復凍融作用下邊坡淺層土體的穩定性，得出如下結論。

(1)在一維反復凍融作用下，土體內部的水分會向冷端(向上)不斷地遷移、聚集和凍結，并且融化時水分會出現滯留現象，最終使土體出現最大含水層。土體最大含水層向上遷移的高度受初始含水率的影響，并且凍融次數的增加也會改變土體最大含水層遷移的高度。

(2)土體的抗剪強度受凍融次數和初始含水率的共同影響。其中，初始含水率較低時，在第一次凍融后，土體各層的抗剪強度均有所增加，說明參與遷移和凍結的水分較少，對土體結構的影響較低，且凍融作用起到強化的作用；初始含水率較高時，土體最大含水層處參與凍融的水分較其他土層最多，對土體結構的破壞程度最大，該處的抗剪強度最小。

(3)凍融作用對不同初始含水率的土體會起到強化、劣化雙重作用。凍融作用對土體起強化作用時，主要體現在黏聚力的增加，內摩擦角基本不變；凍融作用對土體起劣化作用時，其黏聚力和內摩擦角均會降低。

(4)通過Janbu法、擴展Bishop法和Spencer法對反復凍融作用下邊坡淺層土體的穩定性進行了對比分析，發現在邊坡淺層土體最大含水層位置未改變或變化至穩定時，該處的穩定性最低；在最大含水層發生變化時，該處的安全系數有所增加，此時邊坡淺層土體在凍融深度線處的穩定性最低。此外，根據3種分析方法所得結果，在分析反復凍融作用下邊坡淺層土體穩定性時，建議選用較為保守的Janbu法。

(5)邊坡淺層土體含水率較低或者較高時，反復凍融作用對土體最大含水層位置的影響較低，最大含水層為滑動面的可能性最大；而土體含水率在某一范圍內時，當凍融作用使淺層土體最大含水層的位置發生明顯變化時，此時邊坡淺層土體的潛在滑移面為凍結深度面。因此，在工程中應根據凍融邊坡的實際水文條件，采用更合理、更經濟的方式對黃土邊坡進行防治。