凍融循環對高速公路路基邊坡穩定性影響研究

摘要：為研究凍融循環對高速公路路基邊坡穩定性影響，依托實際工程，通過對土體塑液液限、含水率進行試驗檢測，得出隨著凍融循環時間增加，土體的塑性系數和液限穩步提升，塑限維持穩定。隨著凍融循環次數增加，含水率逐漸降低，碎石粘土含水率不受凍融循環影響。通過UC剪切試驗得出，凍融循環作用破壞了土體自身的結構平衡，降低了土體安全系數。

關鍵詞：路基工程；邊坡穩定；凍融循環；碎石粘土

0" "引言

近年來，高速公路建設開始從中部向北部地區轉移，然而我國北部地區處于季節性凍土區，在凍土區建修路基、削坡減載等工程會使土體遭受凍融作用影響。我國季凍區深大于50cm的地方約占了全國土地面積的46.3%，這部分地方對工程環境危害較大，再加上近年來氣候變暖造成部分地區多年凍土退化，導致季節性凍土分布區不斷增加。同時凍融效應也會使道路邊坡抗剪強度下降，從而造成塌方等地質災害的出現[1-2]。

本文依托某高速公路工程，選擇該地碎石粘土作為實驗材料，對土樣進行凍融循環試驗，采用常規土力學試驗對經歷凍融作用的土體進行三軸剪切試驗。通過研究土體各輪每次改變剪切強度參數后的循環次數，對相應條件下的邊坡結構進行模擬，分析其穩定性條件，總結混凝土體凍融時對物理力學特性所產生的影響。采用有限元軟件，用ABAQUS和Bishop算法得到理論安全系數，將其進行比較，得出凍融循環次數對邊坡安全性的影響，可為研究該地區的凍融滑坡機理提供參考。

1" "工程概況

某公路工程所在區域溫度酷熱干燥，晝夜溫度很大，夏季高溫多雨，冬天嚴寒干燥，年均最低氣溫在1月份，年均約為-12℃，其最大凍土分布期從11月至次年3月，最大凍土分布深度達到1m。該區域的地形類型大多為剝蝕地貌，大部分受風化剝蝕和地表水的腐蝕影響，溝谷呈現“V”型或“U”型。

根據實驗可知，該區域沒有凍融作用的新鮮粘土，取土深為3～4m。用刻槽法慢慢挖開土樣周圍的土樣，將其切成尺寸約為30cm×30cm×30cm的立方體完整土樣，標明土樣的上下方向。將出土的土樣從輕輕放在棉被中取出后放到安全地方，并進行密封包裝，貼上標簽，并用膠帶覆蓋以防水分流失。通過對當地地質氣候進行檢測，經研究決定采用如表1的路面結構。

2" "實驗研究

2.1" " 凍融循環作用對土物理力學性質的影響

2.1.1" "土的液塑限

土的液塑限是碎石粘土重要技術指標之一。本文液、塑限聯合測定法，對經過0、1、10、20次凍融后土樣進行液限、塑限和塑性指數的檢測，試驗結果如表2及圖1所示。

由表2及圖1可知，隨著凍融循環次數增加，土體的塑性系數和液限穩步提升，塑限維持穩定。塑性指數是評價顆粒中粘粒含量的重要指標，塑性指數越大，說明顆粒中粘粒含量越多。隨著凍融次數增加，塑性指數上升趨勢隨之減小。由此說明，在反復凍融作用過程中，凍脹作用對土體結構的破壞程度逐漸降低。

2.1.2" "含水率

含水率是粘土的重要物性特征之一，是出現凍脹、融沉和強度劣化等特性的基礎[3]。經過凍融循環試驗之后的含水率如表3所示。依照表3測得的數據，得到含水率與凍融次數的關系見圖2。

由圖3可知，隨著凍融循環次數增加，含水率逐漸降低，超過15次循環之后，其仍在下降但下降幅度小。分析認為，由于凍融循環次數增加的同時，凍融時間持續增加，樣土中水分隨著凍融而被蒸發，故含水率降低出現在凍融循環之后。檢查凍融循環過后試樣塑料薄膜，可觀察到塑料薄膜上有水珠形成，土樣含水率也會受小滴影響略微下降。含水率在整個凍融循環期間沒有太大變化，在密封情況下碎石粘土含水率不受凍融循環影響。

2.2" " 凍融作用下碎石粘土力學性質的試驗研究

為了探索凍融循環次數對土體抗剪強度影響，對0次、1次、10次、20次凍融循環下碎石粘土進行不排水三軸剪切試驗（UU試驗）。按照《土工試驗方法標準》（GB/T50123-1999）[4]，選取和處理相關數據，得到在經歷凍融循環作用下，4組試件應力應變曲線特征曲線如圖3所示。

由圖3可以得知，隨著圍壓厚度和軸向變形的增加，各組松鋪厚度與凍融循環次數所對應的偏應力值也逐漸提高。在1%～2%的應變范圍內，土體呈現彈性形變，此時偏應力變化幅度較大。在超過2%的應變范圍之后，土體整體開始硬化，在此過程中土體主要變現為塑性形變，偏應力增長逐漸變緩。這是因為在受力初期，對土顆粒間較大縫隙進行急速擠壓，在顆粒與顆粒緊密接觸之后，咬合力隨之變大，導致偏應力變化幅度先增大再減小。隨著新設圍壓的增加，曲線長度斜率變陡。這是因為偏應力攀升的速率越來越大，使得土的彈性模量在增大。

2.3" " 在凍融循環作用下土體邊坡穩定性分析

為研究凍融作用下土體邊坡穩定性，本文以取土區為原型進行模擬，通過對當地氣候、地質，車轍荷載等環境進行考察，根據當地特征建立模型。在進行模擬時，為獲得更加精確的計算結果，需選取合理建模方法。本文采取CU剪切試驗進行試驗模擬，以抗剪強度作為平均指標。邊坡材料參數如表4所示，試驗結果見表5。

經過分析數值模擬及位移云圖的結果可以得出，在0、1、10、20次凍融循環下安全系數分別為 3.27、3.23、3.26、3.22。變化規律如圖4所示。

由圖4可知：伴隨著凍融循環次數增加，邊坡安全系數在0～1時逐漸降低；在1～10時邊坡整體安全系數在升高，但并沒有超過0次循環次數；10～20次凍融循環時土坡整體安全系數再次下降，并達到最低值3.22。

由此說明，在進行凍融循環之前，邊坡整體處于穩定平穩狀態。隨著凍融次數逐漸增加，邊坡的安全系數明顯降低，但下降程度不會導致滑坡現象。通過模擬結果可得出，凍融循環作用破壞土體自身的結構平衡，導致邊坡內應力分配規律和原有平衡被打破，使土體的粘聚力減少，土體及表層結構也發生了變化，從而使安全系數降低。

4" "結語

本文以該公路工程項目為依托，總結了混凝土體凍融時對物理力學特性所產生的影響，并分析了凍融循環次數對邊坡安全性的影響，得出以下結論：

土體正常情況下，通過對土體進行相同次數凍融循環，孔隙率與含水率之間呈現正比例關系，含水率增加空隙率隨著增加。含水率較小時，凍融循環次數增加，孔隙率呈現上升現象。含水率相同時，隨著凍融循環次數的逐漸增多，干容重呈現出減小趨勢。在凍融循環次數相同下，液限一直逐漸上升趨勢，塑性指數增加幅度逐漸減小而塑限基本穩定。

隨著圍壓和軸向變形的增大，偏應力值也隨之增加。在1%～2%的應變范圍內，土體呈現彈性形變，此時偏應力變化幅度較大。在超過2%的應變范圍之后，土體整體開始硬化，在此過程中土體主要變現為塑性形變，偏應力增長逐漸變緩。

凍融循環過程中，邊坡整體穩定性在凍融作用影響下會產生不同變化，同時其還會受到土體抗剪強度參數變化的影響。這充分證明凍融循環作用可有效降低土體邊坡穩定性能。

參考文獻：

[1] 唐建鋒，楊藝，莫俊杰.凍融循環下改性瀝青混合料的孔隙結"構研究[J].公路， 2022，67（6）：42-45.

[2] 趙軍林.凍融循環作用下瀝青混合料低溫性能及力學特性研究[D].蘭州：蘭州理工大學， 2021.

[3] 張云龍，劉琳，王靜，等.凍融循環對高含水率路基邊坡穩定性影響分析[J].四川水泥， 2018（8）：43.

[4] 林卓棟.西藏那曲多年凍土區公路邊坡凍融穩定性及影響因素研究[D].重慶：重慶交通大學，2020.