凍土路基斜坡穩定性研究

郎永賢

（青海省交通規劃設計研究院有限公司，青海西寧810000）

0 引言

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

1 凍土路基的穩定性變化特征

根據溫度場耦合的凍土斜坡穩定性分析理論，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生的穩定性變異，評價溫度對路基斜坡穩定性產生的影響[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在凍融界面處，但下滑力往往比較有限，這也使得路基的穩定性系數相對較大。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 月后凍土區域對斜坡危險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，因此路基的穩定性系數將處于恒定狀態。

需要注意的是，路基的穩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，但是其穩定性系數變化反而較小。

1.2 地溫變化特征

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

此外，研究結果還表明[5]，地溫的高低對最低穩定性系數出現的時間有一定影響。總體來看，溫度越低，最低穩定性系數出現得越晚。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定系數形狀較為類似，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出平行的狀態。因此，即便地溫條件存在差異，但最危險的滑動面出現的位置及形狀表現出了一致性，由此可以認為，地溫對路基穩定性的影響比較有限。

1.3 運行時間變化特征

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

此外，在運營時間發生推移的同時，路基內的水分也會出現一定程度的遷移，若水分逐漸向邊坡腳等位置匯集，則很可能造成該區域土體強度的損失，進而降低路基的整體穩定性。

2 凍土路基穩定性影響因素分析

2.1 路基高度

2.1.1 無荷載下路基高度與穩定性的關系

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定性研究時，選用10 天作為一個分析步長，一年的數據量則為36 個，以此得出不同高度及時段，路基的穩定情況。

研究結果表明，提升路基的高度指標對于年最小穩定存在著負面影響[6]。基于我國現行的路基設計規范要求，若設計安全系數大于1.3，那么設計高度應當被控制在3.56m 以下。

2.1.2 車輛荷載下路基高度與年最小穩定的關系

在實際的路基設計中，車載效應往往不作為穩定性計算的影響因素，這主要是由于路基的穩定性系數大多集中在1.2～1.3 的范圍內，且其設計高度較高。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，凍融界面對于其穩定性卻存在著比較顯著的影響，尤其是界面形態不同帶來的影響。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定性系數。

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、下滑力弱的路基穩定性的影響較高度大、下滑力強的路基更為突出。

研究還發現，若路基高度大于6m，則在15kPa 的車輛荷載水平下，路基穩定性將由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 作為設計安全系數，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

在路基設計高度較低的項目中，為了保障斜坡的穩定性，為公路正常路用性能的實現提供可靠保障，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定性進行了探究。

研究結果表明，較低的邊坡比會導致斜坡的穩定性隨之下降[7]。具體來看，穩定性系數每增加0.1，則邊坡比要相應提升0.25。所以，在高度較小的路基中，放坡能夠很好地發揮作用，且具有顯著的經濟優勢。

以4m 高的路基為例，在不同的坡比條件下，年最小穩定大多集中在暖季初期。在-0.8oC 的條件下，根據研究中對第9年坡比不同時所對應的滑動面、溫度場疊加效果可以發現，凍融界面的分布與邊坡坡度之間不存在顯著關系，最危險的位置仍舊出現在凍融界面處。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小；而路基抗滑力的分布則有著相反的規律，從而導致在更小的坡比下，路基穩定性有強化的趨勢。

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

2.3 護道

根據上文對坡比作用的分析可以發現，當路基高度定為較高水平時，為了保障路基斜坡的穩定性，一般需要調小邊坡坡比，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定性主要出現在暖季早期，附加護道后，最小穩定性出現的時間表現出了一定的后移，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護道的凍融界面較為相似，首先與地表平行，隨后發展至與坡面平行，同時兩者最危險的滑動面也較為相似。滑動面位置的剪出口為路基坡底線，若在其上附加1.5m 的護道，往往能夠表現出較好的反壓效果，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，使得斜坡的穩定性不斷下降。此后，融深的進一步發展使得抗滑力逐漸增加，斜坡的穩定性也隨之增強。

研究結果表明[8]，附加護道對于高度較小的路基穩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定性帶來負面影響。但這一現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，年最小穩定所對應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更為突出，因此，凍融界面的平緩分布將使下滑力占據主導，附加護道后斜坡的穩定性也會更好。

但伴隨著路基高度不斷提升，下述兩類情況將導致附加護道對增強斜坡穩定性的作用發生衰減，甚至會產生負面影響。

2.3.1 路基高度越高，附加護道所產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論。

2.3.2 路基高度越高，凍融界面越陡，甚至會與未附加護道時相似，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，在設計護道時應結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展，隨后變為平行于坡面，這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鍵參數的確定

為了確保在凍融條件下路基仍能保持良好的力學性能，在設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、路基穩定系數、荷載。

圖2 邊坡比與凍土路基穩定性關系

根據圖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定性的影響，為了將穩定性系數控制在1.3 以上，其設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，那么設計高度一般需要分別低于3.1m、2.8m及2.5m。這一研究結果與工程實踐經驗之間比較接近。若實際工程中受到地形、地勢、斷面設計等方面的制約而無法適應設計要求，那么可以采取調整邊坡坡度或附加護道的方式來強化路基穩定性。

圖1 不同荷載作用下的穩定性系數

圖3 無荷載下附加護道后穩定性對比圖

4 結語

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