冰劈作用對加劇微裂隙巖質(zhì)邊坡破壞性的機(jī)制研究
——以紅原氣候及地質(zhì)條件下的巖質(zhì)邊坡冰劈為例

彭 輝

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610000）

1 研究背景

凍土一般指溫度低于0且含有冰的巖和土，凍土是凍結(jié)土和凍結(jié)巖的總稱[1-2]。凍土力學(xué)的研究具有廣泛工程背景，根據(jù)已有的寒區(qū)巖土工程經(jīng)驗(yàn)，存在凍土問題的地方一般都存在凍結(jié)巖石的問題[3]，如寒區(qū)的巖質(zhì)邊坡、隧道、道路路基、地下輸油氣管線、建筑物地基以及液化天然氣的地下低溫貯存庫等，都不同程度存在凍結(jié)巖石問題[4]。

紅原地區(qū)氣候條件惡劣，具有高原低氧、夏季短、無春秋、冬季漫長等特征，紅原地區(qū)冬季從7月持續(xù)到次年4月，9月進(jìn)入霜期，10月開始積雪，直至次年4月完全解凍融雪，冬季極端最低氣溫可達(dá)-36 ℃[4]，氣候寒濕，凍害特征明顯。

以紅原縣S302線海子山段某巖質(zhì)邊坡為例，場地屬丘原（高原丘陵）地貌，海拔高度3 600～3 800 m，自然邊坡起伏一般15°～30°。S302省道建設(shè)，某地段受地形影響，線路內(nèi)側(cè)形成數(shù)處高度約3～6 m不等的巖質(zhì)邊坡，邊坡原開挖坡度約45°。其地層巖性主要以三疊系中統(tǒng)扎尕山群組（T2zg）板巖、淺變質(zhì)砂巖及砂質(zhì)板巖為主[4]，受區(qū)域性斷裂即紅原斷裂影響，次級斷層及層間破碎帶極發(fā)育，巖石板劈理及構(gòu)造裂隙極發(fā)育，巖體多呈碎裂鑲嵌狀結(jié)構(gòu)。本段巖質(zhì)邊坡共同特征是巖體中裂隙密集發(fā)育，坡表碎落特征明顯。冬季收到冰雪反復(fù)凍融的作用影響，坡表碎石方量增加較明顯，說明冰劈作用對該邊坡破壞的影響大于其他因素。根據(jù)觀測分析，冬季坡體積雪溶解后向裂隙入滲，氣溫下降至冰點(diǎn)以下或上升至冰點(diǎn)以上時，填充在裂隙中的水體反復(fù)融化、凝固，根據(jù)相關(guān)研究，水由液體變成固態(tài)時體積增大9%[5]。巖體裂隙中水的狀態(tài)反復(fù)變化，形成裂隙水壓力及冰劈力作用，使得巖質(zhì)邊坡裂隙持續(xù)延伸、擴(kuò)張，并浸潤隙面及充填物，加劇邊坡破壞。

根據(jù)土力學(xué)定義，土體是巖石在連續(xù)風(fēng)化作用下形成的大小懸殊的顆粒，經(jīng)過不同的搬運(yùn)方式，在各種自然環(huán)境中生成的沉積物。巖石指在地球物理及化學(xué)過程作用下，經(jīng)過漫長的地質(zhì)歷史，形成具有一定強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的礦物集合體。土和巖石的最大區(qū)別在于巖石的膠結(jié)強(qiáng)度一般高于土，巖石中一般賦存節(jié)理和裂隙，土則為巖石的風(fēng)化產(chǎn)物。由于土和巖石的結(jié)構(gòu)性差異，力學(xué)行為上表現(xiàn)為不同的本構(gòu)關(guān)系，土的強(qiáng)度取決本身膠結(jié)能力，巖石的強(qiáng)度一般取決于結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度。對于寒區(qū)多年凍土或季節(jié)性凍土區(qū)，影響土體的物理力學(xué)性質(zhì)主要在于其內(nèi)部孔隙水（冰）的作用，影響巖石的物理力學(xué)性質(zhì)主要是裂隙水（冰），巖石和土體在低溫環(huán)境中的滲透性、導(dǎo)熱性、電學(xué)性質(zhì)及相應(yīng)的變化規(guī)律均不同[3，6]。

2 建立物理模型

新開挖無防護(hù)邊坡除了存在原有的構(gòu)造裂隙外，開挖后由于卸荷作用，會產(chǎn)生一系列向坡面方向松弛的卸荷裂隙，卸荷裂隙的松弛張裂包括原生構(gòu)造裂隙的張裂和新生裂隙張裂，其發(fā)生在一定深度范圍內(nèi)。新開挖邊坡長期裸露時，在風(fēng)化應(yīng)力作用下產(chǎn)生風(fēng)化裂隙，呈殼狀包裹于坡表。邊坡開挖后，淺部一定深度范圍內(nèi)裂隙密集發(fā)育，可視為網(wǎng)狀裂隙發(fā)育帶。在網(wǎng)狀裂隙切割下，巖體呈無數(shù)碎小的塊體，可近似為顆粒接觸，無數(shù)裂隙可視為顆粒間孔隙，此時邊坡可視為多孔不連續(xù)顆粒材料，可建立模型。

狀態(tài)1模型如圖1所示。

圖1 網(wǎng)狀裂隙切割巖體呈顆粒體

狀態(tài)1風(fēng)化帶巖土體能保持穩(wěn)定狀態(tài)，主要是顆粒面與面之間的結(jié)合力起作用，此時總應(yīng)力δ≈有效應(yīng)力δ'。

冬季坡面冰雪融化下滲，水體充填裂隙，形成相對飽水帶，對顆粒形成包裹，產(chǎn)生孔隙水壓力u，此時總應(yīng)力δ=有效應(yīng)力δ'+孔隙水壓力u。

外界溫度下降到冰點(diǎn)以下，在凍結(jié)深度范圍內(nèi)，水凝固為冰，形成堅固的冰土二元體，此時的邊坡可視為連續(xù)固體材料。與狀態(tài)1相比，邊坡由散體材料變?yōu)楣腆w連續(xù)材料，邊坡更為堅固。

狀態(tài)2、3模型如圖2、圖3所示。

圖2 坡面冰雪融化下滲作用下裂隙充水

圖3 凍深范圍內(nèi)裂隙水結(jié)冰，裂隙擴(kuò)大

邊坡由狀態(tài)2變?yōu)闋顟B(tài)3時，水變?yōu)楸w積膨脹，完成裂隙橫向擴(kuò)展和豎向延伸過程，即冰劈作用。隨著外界溫度回升，邊坡中的冰融化，再次形成散體顆粒狀態(tài)，減小了顆粒與顆粒的接觸面，有效應(yīng)力δ'降低，表層冰凍層以上一定厚度土體處于飽水狀態(tài)，甚至發(fā)生坡面滲流。滲透力J大于有效重度γ'時[7]，發(fā)生坡面土體流動，坡面上部土體以滑落或滾落的方式運(yùn)動，堆積于坡腳處。

狀態(tài)4模型如圖4所示。

圖4 坡面滲流，顆粒發(fā)生移動

高原氣候晴天溫差變化大，隨著氣候的循環(huán)變化，上述作用循環(huán)發(fā)生，邊坡產(chǎn)生碎落破壞。

經(jīng)分析，巖質(zhì)邊坡受冰劈破壞一般具備兩個基本特征，裂隙發(fā)育巖體，巖體中的裂隙為冰劈作用發(fā)生的介質(zhì)即地下水，提供了存貯及運(yùn)移空間；存在圍繞冰點(diǎn)一定溫度幅度變化的氣候環(huán)境，裂隙巖體中的地下水通過狀態(tài)變化及不同狀態(tài)下的物理特征，即水結(jié)冰后體積膨脹的特征，受裂隙空間約束，產(chǎn)生脹壓劈裂作用，使得裂隙持續(xù)擴(kuò)展。

3 巖質(zhì)邊坡受冰劈作用破壞特征主要表現(xiàn)

（1）冰劈作用又稱凍融風(fēng)化，影響深度范圍在凍結(jié)深度至坡表范圍內(nèi)。冰雪凍融現(xiàn)象主要受氣候環(huán)境影響產(chǎn)生，根據(jù)相關(guān)研究及觀察，冰凍場地有一定凍結(jié)深度，冰劈作用延伸范圍只能發(fā)生在凍結(jié)范圍內(nèi)，即場地最大凍結(jié)深度。凍結(jié)深度以下主要影響方式為裂隙水壓力。

（2）冰劈作用發(fā)生使得巖層及裂隙間結(jié)合力急劇降低，加速巖體破壞。裂隙水凝結(jié)成冰時，體積膨脹，使得巖體裂隙擴(kuò)張，冰溶解后裂隙水浸潤裂隙面及裂隙填充物，將使隙面及充填物產(chǎn)生軟化效應(yīng)。微裂隙巖體在反復(fù)冰溶作用下，巖體的c、φ值急劇降低，加速破壞。

（3）冰劈作用使得巖體崩解成為巖屑，破壞形式宏觀上主要表現(xiàn)為坡面碎落。冰劈作用發(fā)生在凍深范圍內(nèi)，巖質(zhì)邊坡淺層除明顯構(gòu)造裂隙發(fā)育外，一般風(fēng)化裂隙及卸荷裂隙也較為發(fā)育，巖體破碎，受冰劈作用破壞崩解塊體較小，邊坡破壞形式多表現(xiàn)為坡面碎落。

4 結(jié)語

通過巖質(zhì)邊坡冰劈作用破壞機(jī)制研究及高寒區(qū)邊坡季節(jié)性觀測，冬季冰雪凍溶環(huán)境下邊坡碎落現(xiàn)象明顯強(qiáng)于溫暖季節(jié)雨水影響下的邊坡碎落現(xiàn)象，冰劈作用特征明顯。冰劈作用下巖質(zhì)邊坡破壞形式主要表現(xiàn)為碎落，影響深度范圍及單次碎落方量有限，但長期累積作用下，對邊坡的影響效果較為顯著。