高原季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡破壞的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)

趙夢(mèng)怡，謝強(qiáng)，朱磊，任新紅，趙文

高原季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡破壞的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)

趙夢(mèng)怡1，謝強(qiáng)1，朱磊2，任新紅1，趙文1

(1. 西南交通大學(xué) 地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，四川 成都 610031；2. 成都地鐵運(yùn)營有限公司，四川 成都 610000)

為探求川西高原季節(jié)性粗顆粒凍土道路邊坡普遍出現(xiàn)不同程度表層破壞的原因，選取康定新都橋附近公路邊坡，采用多種測(cè)試手段，對(duì)邊坡的變形、氣溫、地溫和地下水變動(dòng)等特征進(jìn)行長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：邊坡土體凍融僅發(fā)生在邊坡的淺表層，凍融深度大致在0.5~1.0 m之間；邊坡最大變形方向與地下水流向存在明顯的相關(guān)性；氣候特征，特別是降雪與邊坡的破壞有直接關(guān)系。在凍結(jié)融化和積雪消融條件下，試驗(yàn)邊坡變形突增，直至在坡面表層1 m范圍內(nèi)產(chǎn)生滑塌。川西高原季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡的破壞，是表層凍融和融雪下滲的結(jié)果。

粗顆粒土；季節(jié)性凍土；邊坡；破壞模式；現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

四川省新都橋、理塘地區(qū)地處川西高原，屬高山河谷地貌，山坡坡腳多為坡洪積角礫土堆積，年氣溫變化大，在－30.0~35.0℃之間，是季節(jié)性粗顆粒凍土主要分布區(qū)域。對(duì)區(qū)域內(nèi)國道318公路邊坡調(diào)研后發(fā)現(xiàn)，很多粗顆粒凍土邊坡出現(xiàn)了表層溜坍、熱融滑塌等不同程度的破壞現(xiàn)象，嚴(yán)重影響交通工程的安全施工和運(yùn)營。關(guān)于季節(jié)性凍土邊坡的破壞模式和機(jī)理，不少學(xué)者對(duì)細(xì)粒土凍土邊坡進(jìn)行了研究。細(xì)粒土凍土邊坡的失穩(wěn)機(jī)理可概括為凍融循環(huán)導(dǎo)致的土體結(jié)構(gòu)、力學(xué)參數(shù)的變化[1?8]。與細(xì)顆粒凍土相比，粗顆粒凍土具有顆粒粗、孔隙大等特性，不同的土體結(jié)構(gòu)特征，引起負(fù)溫條件下土體中水的凍結(jié)狀態(tài)以及水的滲流遷移模式均不同。粗顆粒凍土邊坡的破壞模式和破壞機(jī)理，是否與現(xiàn)階段研究較多的細(xì)顆粒凍土邊坡相同，近些年已有學(xué)者對(duì)粗顆粒凍土的巖土參數(shù)、邊坡破壞模式及機(jī)理等進(jìn)行了探索。李安原等[9]對(duì)影響粗顆粒土凍土特性的關(guān)鍵因素，土質(zhì)、水分特征及溫度狀況等方面進(jìn)行了論述。張林林等[10?11]對(duì)季節(jié)性粗顆粒凍土在凍融循環(huán)下強(qiáng)度衰減特性進(jìn)行了研究，楊百祥[12]通過邊坡調(diào)查發(fā)現(xiàn)粗顆粒土邊坡多以淺表層土體破壞為主。趙永峰等[13]研究了季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡溫度場(chǎng)分布及其變化規(guī)律。以上學(xué)者通過理論研究、室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、數(shù)值計(jì)算等多種研究手段對(duì)粗顆粒土季節(jié)性凍土邊坡的破壞現(xiàn)象和機(jī)理進(jìn)行了探討，本文則通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)的方法對(duì)川西高原季節(jié)性凍土邊坡的破壞現(xiàn)象和模式進(jìn)行 研究。

1 現(xiàn)場(chǎng)邊坡試驗(yàn)方案

為選擇合適的凍土邊坡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，作者對(duì)四川新都橋和理塘區(qū)域內(nèi)318國道的137處公路邊坡開展野外調(diào)查工作，對(duì)凍土邊坡的巖土類型及結(jié)構(gòu)、邊坡坡高及坡率、地下水出露情況等基本特征進(jìn)行調(diào)查和統(tǒng)計(jì)。綜合大量?jī)鐾吝吰碌恼{(diào)查結(jié)果，對(duì)季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡的基本特征形成了初步的認(rèn)識(shí)：邊坡物質(zhì)組成中礫石土邊坡最多，占邊坡調(diào)查總數(shù)的63.5%，其次為碎石土和卵石土；邊坡坡高及坡度分布較廣，坡高主要集中在2~10 m范圍內(nèi)，坡度在20°~60°之間；地下水位較淺，82.24%的邊坡在邊坡坡腳以上存在地下水出露現(xiàn)象。

根據(jù)季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡特征，選擇康定縣新都橋鎮(zhèn)瓦澤鄉(xiāng)318國道CK379＋500左側(cè)邊坡作為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)邊坡。邊坡地表為坡洪積層粗顆粒角礫土，邊坡坡高6.0 m，寬50.0 m，長(zhǎng)150 m左右，自然坡度42°，地下水運(yùn)移比較活躍，地表水隨季節(jié)變化大，主要受大氣降水控制，未見明顯的構(gòu)造作用。據(jù)地勘鉆孔資料揭示，邊坡0~17.0 m范圍內(nèi)均為角礫土，角礫約占50%~60%，粒徑1~5 cm，10%~15%為碎石，其余為砂充填。

邊坡現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)主要包括記錄邊坡形態(tài)變化的過程及氣象資料、邊坡不同位置的變形、溫度等相關(guān)參數(shù)測(cè)試。各測(cè)試孔位置布置見圖1。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)孔位布置平面圖

根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料的研究，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)極端最高氣溫為29.4 ℃，極端最低氣溫為?14.1 ℃。選用NHQXZ-W-609小型氣象站對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，氣象站工作環(huán)境溫度的范圍為?40~＋80 ℃，氣象站測(cè)量溫度范圍為?50~＋80 ℃，準(zhǔn)確度±0.1 ℃，滿足現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)要求。

為測(cè)試在變形過程中邊坡內(nèi)部的溫度變化，確定粗顆粒凍土邊坡的凍融深度，采用鉆孔埋設(shè)測(cè)溫元件的方法在邊坡不同位置和深度處進(jìn)行地溫測(cè)試?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)邊坡共布設(shè)了8個(gè)溫度監(jiān)測(cè)孔。溫度監(jiān)測(cè)孔孔徑為150 mm，孔深均為4.0 m，每個(gè)監(jiān)測(cè)孔布設(shè)6個(gè)測(cè)溫元件，深度分別為4，3，2，1，0.5和0.2 m。測(cè)溫元件采用PT100溫度傳感器，溫度采集范圍為?50~＋110 ℃，精度為±0.5 ℃。為修正元件不同線長(zhǎng)的阻值差異對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)不同線長(zhǎng)的PT100進(jìn)行了標(biāo)定。

為監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)邊坡位移變化過程，在邊坡不同位置布設(shè)位移監(jiān)測(cè)孔，埋設(shè)測(cè)斜管進(jìn)行位移測(cè)試。位移監(jiān)測(cè)孔孔徑為110 mm。邊坡測(cè)斜孔共4個(gè)，分別位于邊坡坡面后0.8，1，2以及4 m處，孔深在5.0~8.0 m之間。采用RQBF-3A型智能型測(cè)斜儀，對(duì)邊坡位移進(jìn)行測(cè)試，測(cè)斜儀的工作溫度為?20~＋80 ℃，系統(tǒng)精度為≤0.1 mm/500 mm，滿足現(xiàn)場(chǎng)位移監(jiān)測(cè)要求。

地下水特征對(duì)邊坡破壞模式有一定的影響。在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)四邊形分布的地下水位監(jiān)測(cè)孔，在高水位孔投放高濃度鹽水，采用數(shù)字萬用表測(cè)試其他水位孔的電阻變化，以測(cè)試地下水滲流特征。

觀測(cè)試驗(yàn)自2016年1月開始，至2017年3月第1個(gè)周期結(jié)束，歷時(shí)13個(gè)月。

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 溫度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)氣象站以及地溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制試驗(yàn)邊坡全年的氣溫和恒溫帶地溫隨時(shí)間的變化關(guān)系(如圖2)。全年氣溫變化范圍在?12~25 ℃之間，變化過程可分為2個(gè)階段。2015年12月至2016年4月，每天最低氣溫在0 ℃以下，1月份達(dá)到全年最低氣溫?13 ℃，恒溫帶附近地溫全年最低值2.5 ℃出現(xiàn)在3月份，滯后于氣溫2個(gè)月。2016年4月至2016年11月，最低氣溫在0 ℃以上，氣溫、地溫隨著時(shí)間呈先升高后降低趨勢(shì)，且氣溫最高值25 ℃出現(xiàn)在8月，而恒溫帶以上地溫在9月才達(dá)到最高值10 ℃，滯后于氣溫最高值1個(gè)月。對(duì)比地溫、氣溫測(cè)試變化趨勢(shì)可知，隨著氣溫的升降，地表溫度逐步變化，但溫度的傳播有一定的滯后效應(yīng)，滯后1~2個(gè)月 左右。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試曲線

圖3 0.2 m深度處地溫隨時(shí)間變化曲線

進(jìn)一步分析地溫測(cè)試結(jié)果，繪制8個(gè)測(cè)溫孔埋深0.2 m處地溫測(cè)試結(jié)果隨時(shí)間的變化曲線，如圖4所示。離坡面最近的測(cè)溫孔位于邊坡坡面，最遠(yuǎn)的離坡面12.0 m，不同測(cè)溫孔全年的地溫測(cè)試結(jié)果變化趨勢(shì)相近。2016年1月至3月，不同位置地溫均在0 ℃以下，處于凍結(jié)狀態(tài)，且呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，變化范圍在?3~0 ℃之間；3月至11月，不同位置地溫均在0 ℃以上，進(jìn)入融化狀態(tài)，且呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，變化范圍在0~14 ℃之間；11月至12月，不同位置地溫回歸0 ℃以下，邊坡又開始凍結(jié)狀態(tài)。說明距坡面不同位置的地溫隨氣候變化規(guī)律相近，在邊坡中凍結(jié)?融化過程每年交替進(jìn)行。

圖4 不同時(shí)間地溫隨深度變化曲線

再以鄰近坡面的4號(hào)測(cè)溫孔測(cè)試結(jié)果為例，分析地溫測(cè)試值隨時(shí)間和深度的變化。如圖4所示，2016年1月27日地溫測(cè)試結(jié)果處于最低值，地下0.2 m處地溫約為?2 ℃，地下0.5 m處溫度也在?0.5 ℃左右，地下1.0 m以下溫度保持在0 ℃以上；隨著氣溫的升高，表層地溫測(cè)試結(jié)果也在逐漸升高，3月份僅地表0.2 m處地溫還處于0 ℃以下，邊坡開始進(jìn)入融化期；到7月份，各深度地溫測(cè)試值均在0 ℃以上；隨后邊坡地溫開始逐漸降低，進(jìn)入12月份，地表0.2 m處地溫降低至0 ℃以下，邊坡開始進(jìn)入凍結(jié)期。圖4表明，凍融過程僅發(fā)生在邊坡的淺表層，凍融深度大致在0.5~1.0 m之間。

2.2 水文測(cè)試結(jié)果

各水文監(jiān)測(cè)孔施工完成后，測(cè)量不同時(shí)間各個(gè)孔內(nèi)地下水位變化情況。根據(jù)表1地下水埋深的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，2016年2月29之后地下水水位基本上沒有太大的變化，且4號(hào)水文孔測(cè)試地下水位0 m，揭示邊坡坡面位置持續(xù)處于地表徑流狀態(tài)。根據(jù)各水文孔埋深及孔口標(biāo)高可知，4號(hào)水文孔的水位高程為3 508.47 m，2號(hào)水文孔的水位高程為3 501.117 m，3號(hào)水文孔的水位高程為3 505.675 m，4號(hào)水文孔的水位高程為3 500.69 m。根據(jù)各個(gè)水文孔的水位高程確定地下水的流向，約為北偏東11°，與邊坡坡向北偏西42°夾角約53°，如圖5所示。

表1 地下水埋深

2.3 變形測(cè)試結(jié)果

在邊坡變形測(cè)試中，為確定邊坡的主要破壞方向，對(duì)測(cè)斜管和2個(gè)方向的變形值均進(jìn)行了測(cè)試，疊加2個(gè)方向的測(cè)試結(jié)果即可判斷邊坡的變形值和方向。1號(hào)測(cè)斜管距坡面0.8 m，和測(cè)試方向分別平行和垂直邊坡坡向，幾何疊加測(cè)試結(jié)果后變形曲線如圖6(a)所示。從變形曲線可知，邊坡變形每個(gè)月均在緩慢增加，變形范圍集中在地表1 m范圍內(nèi)，變形最大值在地表處。2016年4月14日地表變形值已達(dá)到102 mm，變形方向?yàn)楸逼珫|8°，與坡面方向夾角為50°，與地下水流向測(cè)試結(jié)果相近。分析其原因，應(yīng)是融雪下滲到邊坡表層土體時(shí)，沿地下水流動(dòng)方向滲流，表層土體含水量增加，從而引起表層土蠕滑流動(dòng)，流動(dòng)的方向與水流有關(guān)，即變形方向與地下水流方向相關(guān)。因此，邊坡最大變形方向與地下水流向存在明顯的相關(guān)性。

根據(jù)第1節(jié)，1號(hào)測(cè)斜孔距坡面0.8 m，2號(hào)測(cè)斜孔距坡面2 m，3號(hào)測(cè)斜孔距坡面1 m，4號(hào)測(cè)斜孔距坡面4 m。對(duì)比圖6中1號(hào)~4號(hào)測(cè)斜孔深度位移曲線可知，距坡面1 m以外的2號(hào)和4號(hào)測(cè)斜孔位移曲線的最大值在10 mm以內(nèi)，變形值較?。欢嗥旅? m范圍內(nèi)的1號(hào)和3號(hào)測(cè)斜孔最終均產(chǎn)生了較大的表層變形，變形值在53~102 mm之間。距坡面1 m范圍內(nèi)外變形的巨大差異，證明邊坡未產(chǎn)生整體的滑移現(xiàn)象，破壞模式為近坡面的淺表層滑塌。

圖5 地下水流向示意圖

(a) 1號(hào)；(b) 2號(hào)；(c) 3號(hào)；(d) 4號(hào)

2.4 降雪與邊坡變化的關(guān)系

在觀測(cè)試驗(yàn)期間，邊坡所在區(qū)域從2016年2月21日開始降下大雪，邊坡坡表積雪覆蓋，厚度達(dá)54 cm。在此之前，1月邊坡最低氣溫在－7℃左右，地表溫度也在0 ℃以下，邊坡處于凍結(jié)階段(見圖7)；降雪后，氣溫和地溫均達(dá)到最低值，但此時(shí)測(cè)斜孔測(cè)試結(jié)果未反映明顯變形情況。隨后氣溫地溫回升，表層凍結(jié)融化、積雪消融，在2月29日變形測(cè)試中，開始測(cè)到邊坡的變形情況，變形區(qū)域集中在距坡面1 m范圍內(nèi)，地表變形值在70 mm左右，遠(yuǎn)大于距坡面1 m以外范圍變形。隨著氣溫和地表溫度的持續(xù)升高，積雪逐漸消融入滲，坡面變形持續(xù)增加至102 mm，坡面已經(jīng)破壞，如圖8所示，積雪消融前后，1號(hào)測(cè)斜孔位置出現(xiàn)明顯變化。但距坡面1 m以外的2號(hào)、4號(hào)測(cè)斜最大值僅在10 mm以內(nèi)，只達(dá)到了距坡面0.8 m的1號(hào)測(cè)斜最大值的9.5%。由此可知，在凍結(jié)融化和積雪消融條件下，坡面表層1 m范圍內(nèi)產(chǎn)生滑塌變形，邊坡的變形與降雪有直接關(guān)系。

圖7 距坡面不同位置位移曲線和溫度變化

(a) 積雪消融前邊坡形態(tài)；(b) 積雪消融后邊坡形態(tài)

2.5 綜合分析

綜合現(xiàn)場(chǎng)溫度、地下水、變形測(cè)試以及地表觀察的結(jié)果，可以分析試驗(yàn)邊坡的變形破壞過程。

地溫測(cè)試表明，在一年中，邊坡表層經(jīng)歷了凍融循環(huán)過程。凍融循環(huán)破壞邊坡表層土體的結(jié)構(gòu)，使土體更加松散，強(qiáng)度降低，滲透性提高，更利于地表水入滲。降雪對(duì)邊坡有2個(gè)方面的影響，在冬季積雪階段，積雪覆蓋層充當(dāng)土坡的保溫層，使邊坡內(nèi)部的熱量不易散失，通過熱傳遞，邊坡內(nèi)部0 ℃以上的土體促進(jìn)凍結(jié)的邊坡表層解凍；在融雪階段，融雪水入滲，繼續(xù)促進(jìn)表土解凍，且表土逐漸飽和，強(qiáng)度進(jìn)一步降低，出現(xiàn)表層的流動(dòng)蠕滑狀態(tài)，最大流滑方向與地下水流向相關(guān)。在以上因素的聯(lián)合作用下，邊坡變形的最終結(jié)果是表層土體分離、下滑，呈表層破壞狀態(tài)。這一觀察分析的結(jié)論，也得到作者同時(shí)進(jìn)行的野外調(diào)查、室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析結(jié)果的支持。

3 結(jié)論

1) 現(xiàn)場(chǎng)氣溫以及地溫測(cè)試結(jié)果表明，粗顆粒凍土邊坡不同位置的地溫與氣候變化規(guī)律相近，但凍融僅作用在邊坡的淺表層，凍融深度大致在0.5~1.0 m之間。

2) 對(duì)比分析地下水與變形測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，邊坡最大變形方向?yàn)楸逼珫|8°，地下水的流向約為北偏東11°，邊坡最大變形方向與地下水流向測(cè)試結(jié)果相近，兩者存在明顯的相關(guān)性。

3) 現(xiàn)場(chǎng)溫度、地下水以及變形測(cè)試結(jié)果表明，在凍結(jié)融化和積雪消融條件下，試驗(yàn)邊坡變形突增，直至在坡面表層1 m范圍內(nèi)產(chǎn)生滑塌。因此，邊坡的破壞與降雪有直接關(guān)系。

4) 綜合上述分析，川西高原季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡的破壞是在表層凍融和融雪下滲的作用下，表層土體含水量陡增甚至達(dá)到飽和狀態(tài)，土體強(qiáng)度急劇降低，最終導(dǎo)致淺表層的破壞。

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Field observation of slope failure of seasonal coarse grained frozen soil in plateau

ZHAO Mengyi1, XIE Qiang1, ZHU Lei2, REN Xinhong1, ZHAO Wen1

(1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Chengdu Metro Operation Co., Ltd, Chengdu 610000, China)

The different surface failure haves occurred currently in the road slope of the seasonal coarse-grained frozen soil in the Western Sichuan Plateau. To explore its causes, long-term field observation was conducted on the characteristics of deformation, air temperature, ground temperature and groundwater change of the road slopes near Xinduqiao in Kangding County by a variety of testing methods. The results show that the freezing-thawing of the slope soil occurs only in the shallow surface of the slope, and the freeze-thaw depth is about 0.5~1.0 m. There is obvious correlation between the maximum deformation direction of slope and groundwater flow direction. Climatic features, especially snowfall, are directly related to slope damages. Under the conditions of freezing-thawing and snow melting, the deformations of the slope were suddenly increased until the collapse occurred in the range of 1m from the surface of the slope, which indicated that the destruction of coarse grained soil slopes in seasonal frozen region of Western Sichuan Plateau was the result of the surface freezing-thawing and snowmelt infiltration.

coarse grained soil; seasonal frozen soil; slope; failure modes; field test

U213.1+3

A

1672 ? 7029(2019)07? 1666 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.009

2018?10?16

中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題資助項(xiàng)目(2017G008-F)

謝強(qiáng)(1957– )，男，四川榮縣人，教授，從事巖體工程與特殊巖土工程研究；E?mail：civil1301@swjtu.edu.cn

(編輯 涂鵬)