多年凍土斜坡穩定性評價方法的探討

沈宇鵬,吳 艷，許兆義,王連俊

(1.北京交通大學土木建筑工程學院,北京 100044； 2.山東省臨沂市蘭山區水務局，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中邊坡穩定性問題。在高溫極不穩定凍土區(年平均地溫Tcp高于-0.5℃)中,高含凍量和強降雨勢必造成凍土斜坡更加不穩定,因此需要對此類地段上的邊坡進行穩定性評價。

從青藏公路和青藏鐵路不同時期的凍土工程地質調查,認為凍土斜坡失穩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特有的邊坡失穩形式,滑動規模和速度遠比一般滑坡小,但在多年凍土地區普遍存在,本文的邊坡穩定性評價也針對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]認為,即使在坡角小于1°時,凍土邊坡也將出現失穩,因此用常用的極限平衡法無法適合此類計算。Weeks[3],R.J.Chandler[4]用“冰堵法”分析Vestspitsbergen凍土斜坡穩定性,其實質為,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]認為在富冰黏土斜坡中,引起失穩的主要原因是形成了超孔隙水壓力；Luis E.Vallejo[6]在分析凍土斜坡時提出建設性的想法,他們認為,斜坡穩定性計算中滑體成份分為兩個方面,即由大塊體和除大塊體外的似流體,其穩定性系數與大塊體所占總體積多少相關；由E.C.McRoberts和N.R.Morgenstern[7]提出,由D.E.Pufahl和N.R.Morgenstern[8]改進,他們引用固結比R分析斜坡穩定性；Foriero等[9]和Charles Harris等[10]把蠕變本構關系引入到凍土邊坡穩定性分析中。國內關于凍土邊坡的研究較少,吳瑋江[11]分析黃茨滑坡時,提出季節性凍結滯水促滑效應,認為季節性凍融作用可導致斜坡體內地下水的富集和擴展,斜坡內的土體大范圍的軟化使強度降低,靜水壓力和動水壓力的增大等凍結滯水的效應,從而促發滑坡形成。牛富俊[12,13]對青藏高原風火山北側北麓河地區具體邊坡進行分析,并提出相應的計算安全系數的計算公式,文中對當地進行溫度和水分的監測分析,但并未對水分和溫度場進行耦合分析,提出的計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理,即質點遷移效應和滯水潤滑效應；靳德武[1]應用有效應力原理推導了不同滲流條件下無限坡穩定性分析計算公式,繪制出不同坡度、不同含水條件下的的無限斜坡穩定性分析圖表。文獻[15]對青藏鐵路安多段斜坡路基進行了穩定性的評價和分析,并得到了不同時間的穩定性系數。

2 熱融滑塌的機理分析

當活動層的凍土融化后,堅硬的巖土塊體和液狀泥漿組成了液固混合物,這種物質抗剪強度很低或無抗剪強度,容易產生大致平行于坡面的滑動面；由于熱融滑塌的物質為融流體,因而在很緩的斜坡上也可能發生滑塌的現象,其滑塌物質的運動軌跡如圖3所示。熱融滑塌失穩因素可以歸結為：(1)內在因素。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 熱融滑塌物質運動軌跡[1]

熱融滑塌的形成機理可以理解為,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,在臨空面的地下冰發生融化,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。塌落的物質掩蓋了坡腳及兩側暴露的冰層,在融化季節,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,水分的影響包括對土體強度和應力狀態的影響兩個方面,融化水使冰面以上的土體處于飽和、過飽和狀態,這種土體含水量的變化,最終導致土體強度的降低；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力,這種應力調整朝著不利于斜坡穩定方向發展。而地下冰面又是一個良好的滑動面,由于滑塌體的滑動面為厚層地下冰層,下滲滯水的潤滑作用使沿冰面的摩擦系數急劇減小,從而使土體很容易沿冰面滑動。這種呈流塑狀態的飽和、過飽和的粉質黏土,在聚集于冰面與土層間的水的潤滑作用下產生滑動。已坍塌的土體滑動后,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。斜坡土體進一步開裂、坍塌,為土體滑動提供了新的物質來源,坍塌體在“滯水潤滑效應”作用下發生新的滑動,新的滑動孕育著新的坍塌。這種周而復始的融凍作用產生的溯源滑塌引起了較大體積的土體運動。

3 影響因素的分析

3.1 凍融交界面的影響

從地基土的抗剪強度來看,暖季凍融交界面(天然上限附近)的抗剪強度較小。同時,從監測的水平位移量變化特征來看,水平位移主要發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]。

這個界面是隨季節變化的面,在暖季(9～10月),界面埋深最大,嚴冬時,界面可到地表。多年凍土區的地質模型,不是一般意義上的巖性分層或力學分層,而是以融化層和凍結層交界面,作為分層依據,將土體分為“一元”或“二元”結構。依據凍融界面位置和活動層的地溫特征將凍土路基劃分為4個不同時期：冬季嚴寒期(1～2月)、春夏融化活動期(3～8月)、夏秋最大融深期(9～10月)及回凍活動期(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,凍結層上水開始形成,此時,凍結層上水向下垂直滲透,直至當前時刻的凍融鋒面,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(路基體的時間為每年的10月中下旬)達到最大融化深度,即為多年凍土天然上限(路基為人為上限),凍結層上水的運行方向開始由垂直運移變化沿凍融交界面的形態滲流；每年的11月上旬,多年凍土的活動層開始雙向凍結,下層凍融鋒面(人限附近)由于融土和凍土存在電位差,因而水分都向凍結鋒面聚集。多年凍土由于自由水的參與,改變了土質骨架的組構,同時,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度。

3.2 夏秋季強降雨的影響

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

安全系數與大氣降水的關系,在負溫季節,凍結的活動層和多年凍土層相銜接,斜坡穩定性系數具有很高的數值。在正溫季節,土層由上往下融化,并且隨著解凍厚度的增加穩定性系數逐漸降低。在夏末達到最低值。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時間。在這一地區,溫度是斜坡穩定性的決定因素,同時,其穩定性系數也與土層中水分遷移變化有關。葉米里揚諾娃考慮彼喬拉河河口的安全系數與降雨的關系見圖4[17]。

圖4 降雨量與穩定性系數的關系

傳統土力學理論中,邊坡穩定分析方法是建立在剛體平衡假設基礎之上的,同時只是考慮飽和狀態,但此理論尚不能定量考慮雨水入滲對斜坡路基穩定性的影響機理。近年來,隨著非飽和土力學理論的發展,且測試非飽和土參數手段的提高,為穩定分析中考慮降雨入滲的影響提供了新的理論基礎。在降雨入滲過程中,隨著雨強和時間變化,土體飽和區以及非飽和區的含水量也在不斷發生變化。因此,必須考慮在降雨入滲條件下的滲流場變化,通過對飽和-非飽和滲流場進行模擬研究,確定土坡體內滲流場分布,在此基礎上探討由于滲流場變化而導致的土坡穩定性變化的影響。

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度、土體性質、地形及植被覆蓋有關。

4 凍土斜坡路基穩定性評價

4.1 極限平衡法評價天然邊坡穩定性

4.1.1 評價方法的對比分析

由于凍土的特殊性,常用以下5種方法計算凍土邊坡的穩定性,這幾種不同的穩定性計算方法均基于極限平衡法。表1為不同評價凍土邊坡穩定性評價方法。

表1 不同評價方法匯總

分析國內外凍土斜坡穩定性計算方法,認為表1中各種方法有如下優缺點。

(1)第1和第2兩種方法引用了殘余黏聚力和殘余內摩擦角的概念,比較符合實際的情況,而殘余強度可以用現場剪切試驗進行測試。

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

(3)方法4,將斜坡失穩歸結于孔隙水壓力,并將水壓力分成3個部分,即由滲透壓力、由自重產生的固結壓力和由融化產生的固結壓力。

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

4.1.2 例證

對青藏鐵路安多段現場的自然邊坡進行驗證,判斷各種計算方法的合理性。

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 各種計算方法的穩定性系數

從計算結果來看,方法1計算時,邊坡已處于破壞狀態；而方法5計算時,邊坡處于極限狀態。事實表明,安多試驗段的自然邊坡已出現了熱融滑塌,因此,方法1比較符合實際計算。由于天然斜坡的不穩定,因此在此路段填筑路基,需要對地基土進行處理,比如將熱融滑塌的地基土挖除,再用粗顆粒土換填,并在路基上游側設置隔水埝阻止地表水浸入。

4.2 改進極限平衡法穩定性評價斜坡路基穩定性

4.2.1 改進極限平衡法的計算思路

改進極限平衡法是直接使用有限元分析得到的應力場評價邊坡的穩定性問題,可追溯到Kulhawy(1969)的博士論文,方法的難點及要點在于準確有效的從有限元結果中插值出所需要的應力

Sr=sβ=[C′+(σn-ua)tanφ′+(σn-ua)tanφb]β

(1)

Sm=τmβ

(2)

F=Sr/Sm

(3)

式中,F為穩定性系數；S為條形寬度中心的有效剪切強度；Sr為破壞面上的抗剪強度；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為基質吸力；τm為土條的剪切力；C′、φ′分別為有效黏聚力和內摩擦角；φb為吸力方面的摩擦角。

4.2.2 工程實例

以安多試驗段DK1503+500為例進行分析,其路基面按Ⅰ級鐵路次重型軌道類型標準設計,基床厚度2.5 m,其中表層0.6 m,底層1.9 m。試驗段的路基結構呈現幾何不對稱,路基寬度為8.3 m,在路基底部設置了拋片石,并在路基上游側設置擋水埝。

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

表3 凍土路基各地層的物理力學參數

計算過程模型及結果見圖5和圖6及表4所示。從表4可以看出,沿熱融界面(人為上限)的穩定性系數小于圓弧型滑面。而當把滲透力和地震力加入到評價模型中,則斜坡路基已出現了破壞。

圖5 滑面沿熱融交界面(沒有考慮水壓力)

圖6 滑面沿熱融交界面(考慮水壓力和地震力)

表4 改進極限平衡法計算穩定性系數

5 結論

(1)凍土熱融滑塌的機理是歸結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)處的強度是決定凍土邊坡穩定性的重要因素,而夏季強降雨也是影響凍土邊坡穩定性的重要因素。

(3)通過青藏鐵路安多段邊坡穩定性的驗證,認為方法1比較符合實際計算。

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

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