凍融環(huán)境條件下華南地區(qū)邊坡的穩(wěn)定性研究

摘 要：冰雪天氣與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生具有密切關(guān)系。為分析凍融環(huán)境條件下的地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育特點(diǎn)及其發(fā)生機(jī)制，本文采用度—日融雪模型計(jì)算冰雪融化量。通過直剪試驗(yàn)，測得土體在非冰凍和和冰凍后的強(qiáng)度參數(shù)，再利用Geo-SLOPE軟件模擬邊坡在天然狀態(tài)、冰雪荷載作用、冰雪融水入滲3種工況下的穩(wěn)定性。結(jié)果顯示，凍融環(huán)境加劇了坡體的裂隙發(fā)育及土體軟化，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。本文為研究凍融環(huán)境條件下邊坡穩(wěn)定性的研究提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：邊坡穩(wěn)定性；凍融環(huán)境條件；融雪模型；直剪試驗(yàn)；冰雪荷載；冰雪融水

中圖分類號：TU 457 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在全球變暖的前提下，極端異常天氣頻頻出現(xiàn)。以華南冰雪災(zāi)害為例，冰雪災(zāi)害下導(dǎo)致高速公路邊坡失穩(wěn)為代表的地質(zhì)災(zāi)害復(fù)雜多變。尤其是極端冰雪災(zāi)害導(dǎo)致的大量冰雪融水向邊坡入滲，將改變邊坡滲流場及巖土體物理力學(xué)性質(zhì)，從而為地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生提供了可能性。為分析凍融變化對巖、土體物理力學(xué)特性的影響，國內(nèi)外在相關(guān)方面進(jìn)行了大量研究，并取得一系列成果。張祥松等[1]指出土的凍結(jié)、融化過程改變了其物理力學(xué)性質(zhì)，孔隙比、壓縮系數(shù)、滲透性明顯增大，單軸和三軸試驗(yàn)抗剪強(qiáng)度降低。張勇等 [2]介紹了凍脹融沉問題和人工凍土凍脹融沉問題的特殊性，提出了凍脹機(jī)理和凍脹預(yù)報(bào)模型。葛琪等[3]系統(tǒng)地分析了巖石受凍融循環(huán)影響的凍融破壞過程、影響因素，研究了其凍融破壞機(jī)理[4]。本文在深入研究冰雪災(zāi)害條件下，對云茂高速公路某高海拔邊坡病害進(jìn)行研究，模擬分析冰雪融化過程及冰雪融水入滲引起的邊坡穩(wěn)定狀態(tài)，對高速公路邊坡的穩(wěn)定控制具有重要的意義。

1 融雪模型的應(yīng)用

1.1 極端冰雪條件下的天氣特征

本文的研究條件是極端冰雪災(zāi)害，將天氣過程分為3個過程[3]。1）持續(xù)低溫期。氣溫在0℃左右，溫度較低，并伴有冰雪天氣，地面覆蓋較厚冰雪。2）溫度回升期。氣溫逐漸升高，日均漲幅約為0.4℃/d，此期間，冰雪開始消融，有降雨，降雨等級為中雨，主要集中在2個時間段。3）恢復(fù)正常期。冰凍雨雪天氣結(jié)束，天氣變化逐漸恢復(fù)至往年春季正常狀態(tài)。

1.2 基于度—日模型計(jì)算模擬冰雪條件下融雪過程

基于上述冰雪災(zāi)害期間的氣象資料，本文采用了輸入數(shù)據(jù)少、計(jì)算公式簡單的度—日模型[5-6]來模擬春季冰雪災(zāi)害期間的冰雪融化過程。

1.2.1 融化時間的選擇

在度—日模型中，對融雪產(chǎn)生影響的是正積溫，即大于冰的融點(diǎn)的溫度，因此選擇溫度為0℃為融化時間。

1.2.2 度—日因子的確定

度-日因子選擇為3.0mm/（d·℃）。

1.2.3 計(jì)算

根據(jù)度—日模型的計(jì)算公式，消融水當(dāng)量為度日因子與正積溫的乘積[3，7]。

綜上所述，得到的模擬結(jié)果見表1。

本文模擬結(jié)果得到了2月4日—2月22日每日的冰雪融化量，這段時間的總?cè)诨繛?15mm，日均融化量為16.58mm/d。

2 極端冰雪災(zāi)害條件下邊坡穩(wěn)定性分析

本文取云茂高速公路邊坡殘積粉質(zhì)黏土，在完成一系列常規(guī)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上模擬凍融環(huán)境，進(jìn)行了土樣的溫度變化試驗(yàn)和含水量變化試驗(yàn)分析，較系統(tǒng)地研究了重塑粉質(zhì)黏土的單向凍脹性和未凍土以及融土間的力學(xué)參數(shù)變化，為我國研究南方冰雪作用下土體性質(zhì)變化特別是邊坡穩(wěn)定性提供一定的參考。

冰凍狀態(tài)下的抗剪強(qiáng)度是驗(yàn)證冰凍狀態(tài)下土體強(qiáng)度的重要指標(biāo)。試驗(yàn)將土樣在恒溫-5℃凍結(jié)，凍結(jié)時間為12h，將凍結(jié)土樣放在剪切儀上進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為0℃～5℃。每次試驗(yàn)進(jìn)行1組，1組為4個樣，分別施加50kPa、100kPa、150kPa、200kPa的法向壓力，匯總得到其摩擦角和黏聚力。冰凍后的土樣如圖1所示，剪切破壞后的土樣如圖2所示，天然狀態(tài)下不同溫度下的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，土體冰凍狀態(tài)下50kPa、100kPa、150kPa、200kPa的法向壓力的抗剪強(qiáng)度如圖4所示。

3 極端冰雪條件下邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬

GEO-SLOPE是邊坡工程中廣泛應(yīng)用的一種穩(wěn)定性分析軟件，提供了基于極限平衡法的多種邊坡穩(wěn)定計(jì)算方法[8]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，利用GEO-SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊功能，對理想化邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算和分析，分別計(jì)算各工況下其安全系數(shù)，結(jié)果為今后極端冰雪條件下的邊坡研究提供可借鑒的方法。

3.1 理想化模型

為了研究的普遍性和簡單化，本文采用的邊坡模型為理想化均質(zhì)土坡模型。邊坡幾何數(shù)據(jù)：寬25m，坡高9m，地面以下土體厚為5m，坡腳分別為30°、45°和60°。邊坡為均質(zhì)土坡，土坡的物理力學(xué)參數(shù)以南方地區(qū)廣泛發(fā)育第四系粉質(zhì)黏土為原型。

試驗(yàn)結(jié)果如下：滲透系數(shù)為0.04m/d～8.28m/d，物理力學(xué)參數(shù)表見表2。

3.2 天然狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性分析

本文采用M-Price搜索到滑動面，該滑動面計(jì)算出來的安全系數(shù)為最小穩(wěn)定性系數(shù)。本組試驗(yàn)采用在天然狀態(tài)下不同坡角（30°、45°、60°）的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)，坡體土層物理力學(xué)參數(shù)如下：γ=16kN/m3，C=21.1kPa，φ=35°，計(jì)算結(jié)果見表3。

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，在邊坡土體具有相同物理力學(xué)參數(shù)的條件下，隨著坡角增加，邊坡的安全系數(shù)呈逐漸降低的趨勢。此外，邊坡坡角增加會導(dǎo)致滑動面的深度減小，因此也進(jìn)一步降低了邊坡的穩(wěn)定性。

3.3 考慮冰雪荷載作用下邊坡穩(wěn)定性分析

3.3.1 相同冰雪覆蓋層厚度時，不同坡度的邊坡穩(wěn)定性分析

計(jì)算冰雪覆蓋層厚度為1m、邊坡為45°時，分別計(jì)算考慮冰凍層存在和忽略冰凍層存在的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)。

分析忽略冰凍層存在時的邊坡穩(wěn)定性，各參數(shù)如下：冰雪覆蓋層厚度為1m，坡體土體容重、黏聚力、摩擦角分別為γ=16kN/m3、C=21.1kPa、φ=35°，邊坡坡角分別為30°、45°、60°，結(jié)果見表4。

計(jì)算考慮冰凍層存在時的邊坡穩(wěn)定性，坡體各參數(shù)如下：冰雪覆蓋層厚度為1m，冰凍層厚度為20cm，土體參數(shù)為γ=16kN/m3、C=29.5kPa、φ=31°，非冰凍層土體參數(shù)為γ=16kN/m3、C=21.1kPa、φ=31°，邊坡坡角分別為30°、45°、60°，結(jié)果見表5。

3.3.2 不同厚度的冰雪覆蓋層下，不同坡度的邊坡的穩(wěn)定性分析

邊坡物理力學(xué)參數(shù)如下：容重γ=16kN/m3，C=21.1kPa，φ=31°。

當(dāng)雪厚度分別為10cm、30cm、50cm、70cm、1m及1.5m時，采用M-Price法搜索到的可能滑動面，該滑動面計(jì)算出來的安全系數(shù)為最小安全系數(shù)，結(jié)果見表6。

以冰雪覆蓋層厚度為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的穩(wěn)定性系數(shù)為縱坐標(biāo)作圖，如圖5所示。

從以上計(jì)算結(jié)果可知，在邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)相同的情況下，隨著冰雪覆蓋層厚度增大，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)越小，即邊坡越不穩(wěn)定。

觀察潛在滑動面情況，隨著冰雪覆蓋層變厚，潛在滑動面越來越淺，并且對坡體的破壞越來越大。

由圖6可以看出，無論哪種情況，隨著坡角增大，穩(wěn)定性系數(shù)降低，在冰雪荷載和表層冰凍的情況下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)一步降低，冰凍層對計(jì)算結(jié)果的影響不大。

3.4 融雪水入滲作用下的邊坡穩(wěn)定性分析

有學(xué)者認(rèn)為在極端冰雪條件下，持續(xù)低溫期間，邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的參數(shù)可選擇天然狀態(tài)下力學(xué)參數(shù)[9]。因此，本文計(jì)算參數(shù)如下：γ=17kN/m3，C=20kPa，φ=25°，邊坡坡角分別為30°、45°、60°。

冰雪融雪入滲使邊坡非飽和區(qū)土體孔隙水壓力增大，土壤顆粒與周圍水分之間的相互作用力降低。本文假設(shè)條件當(dāng)入滲量為16.58mm/d時，入滲時間為19d，模擬的邊坡土層滲透系數(shù)分別為0.05m/d、0.075m/d、0.1m/d，計(jì)算結(jié)果見表7。

由圖7可知，隨著邊坡坡角增大，在相同的融化強(qiáng)度和滲透系數(shù)下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降；而在相同融化強(qiáng)度下，滲透系數(shù)不同，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)也不同，隨著滲透系數(shù)增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低，兩者呈反關(guān)系。出現(xiàn)這種情況的原因是對非飽和土來說，土的基質(zhì)吸力提供了部分抗剪強(qiáng)度，隨著冰雪融水不斷入滲，邊坡逐漸向飽和狀態(tài)發(fā)展，基質(zhì)吸力下降，強(qiáng)度逐漸降低。因此，滲透系數(shù)越大，入滲速度越快，基質(zhì)吸力下降越多。

4 結(jié)語

通過上述試驗(yàn)可知，冰雪災(zāi)害對邊坡的穩(wěn)定性影響體現(xiàn)在多方面。1）冰雪融水入滲改變了入滲層巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)，造成坡體含水量增大，容重發(fā)生改變。巖土體體積會收縮，在坡體上形成裂隙，使坡體產(chǎn)生裂隙。這些裂隙形成了入滲通道，增加了水的入滲量。2）當(dāng)某段時間內(nèi)，溫度升高幅度較大，冰雪融水量很大，融雪強(qiáng)度極易大于邊坡飽和入滲系數(shù)，不能入滲的融雪水在地表匯流。而當(dāng)溫度緩慢升高時，冰雪融化將是一個長期而緩慢的過程，某一時段內(nèi)冰雪融水量不大，此時融雪強(qiáng)度相對于邊坡飽和入滲系數(shù)要小很多，地表不容易形成徑流。3）針對具有不同坡角的邊坡，無論在那種情況下，隨著坡角增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)減小；冰雪荷載下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低較小；在相同的融化強(qiáng)度和滲透系數(shù)下，邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)下降；而在相同融化強(qiáng)度下，滲透系數(shù)不同，隨著滲透系數(shù)增大，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低。

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