凍融循環(huán)作用下黃土邊坡的淺層滑動探討

黃文強(qiáng)

(蘭州理工大學(xué)土木工程學(xué)院，蘭州 730050)

在季節(jié)性凍土區(qū)，黃土邊坡內(nèi)部的水分會在凍融作用下發(fā)生遷移，土體的物理性質(zhì)也會在凍融過程中發(fā)生改變，致使土體強(qiáng)度減小，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。土體物理力學(xué)性質(zhì)的變化是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素，對此，許多學(xué)者進(jìn)行了試驗研究。Skarzynska[1]通過室內(nèi)凍融循環(huán)試驗后，發(fā)現(xiàn)黃土的密度、孔隙率受凍融作用的影響較大，而且土體中的水分會產(chǎn)生不均勻分布的現(xiàn)象。Aoyama等[2]通過室內(nèi)試驗分析黃土等各類土體在凍融循環(huán)的過程中抗剪強(qiáng)度的變化情況，認(rèn)為凍融作用會造成土體力學(xué)性能的劣化。李國玉等[3]、穆彥虎等[4]對重塑黃土進(jìn)行了反復(fù)凍融試驗，研究土的性質(zhì)在凍融作用下發(fā)生的變化，試驗結(jié)果表明，在補(bǔ)水條件下，隨凍融次數(shù)的增加，試樣的含水率亦會增加，而試樣的干密度則隨之降低。楊更社等[5-6]采用計算機(jī)體層攝影(computed tomography,CT)技術(shù)對凍融黃土進(jìn)行分層掃描，發(fā)現(xiàn)黃土在凍結(jié)的過程中發(fā)生了水分遷移，黃土各層的密度與體積均發(fā)生了改變。Roman等[7]通過觀察凍融后的黃土試樣后發(fā)現(xiàn)，試樣內(nèi)部存在裂縫，并且土顆粒的分布有明顯的變化，認(rèn)為這是造成土體強(qiáng)度降低的原因之一。Alkire等[8]在凍融循環(huán)和反復(fù)加載的條件下對黃土進(jìn)行不排水三軸剪切試驗，分析了黃土的變形特性和抗剪強(qiáng)度變化情況，發(fā)現(xiàn)黃土的抗剪強(qiáng)度在反復(fù)凍融后有所降低。董曉宏等[9]研究了多次凍融作用下黃土的抗剪強(qiáng)度特性，結(jié)果表明在含水率不變時，黃土的黏聚力在3～5個循環(huán)周期內(nèi)降到最低值，但其內(nèi)摩擦角基本不變。丑亞玲等[10]研究發(fā)現(xiàn)，非飽和黃土在反復(fù)凍融后，其黏聚力和內(nèi)摩擦角對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)發(fā)生改變。宋春霞等[11]通過實驗研究發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用對不同干容重的黃土具有強(qiáng)化與弱化的二重性。

針對凍融作用對黃土邊坡穩(wěn)定性的影響，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究。王加龍[12]研究認(rèn)為，路塹邊坡在凍融滑塌時，其滑動面上層土體處于飽和狀態(tài)，且滑動面平行于坡面。張輝等[13]通過現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)在凍融交界面處土體的含水率最高，邊坡土體易沿該面發(fā)生破壞。葉萬軍等[14]對洛川黃土邊坡在凍融作用下產(chǎn)生剝落病害的原因進(jìn)行了試驗分析，認(rèn)為土體融化時，水分遷移到一定位置聚集，形成水冰交界面，由于水的軟化作用及冰的促化效應(yīng)致使水冰交界面易成為剝落面。馬世雄[15]對黃延高速公路邊坡剝落病害展開研究，同樣認(rèn)為邊坡土體的水冰交界面為剝落面的可能性最大。王掌權(quán)等[16]采用有限元強(qiáng)度折減法分析了黃土邊坡在反復(fù)凍融作用下的穩(wěn)定性變化，得出了凍融作用下黃土邊坡的滑動面與凍融深度線高度重合的結(jié)論。邊曉亞等[17]利用畢肖普法和牛頓迭代法分析了凍融作用下黃土邊坡的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)凍融作用對邊坡土體的干容重的影響存在二重效應(yīng)。胡偉等[18]通過有限元強(qiáng)度折減法分析飽和蘭州黃土邊坡的穩(wěn)定性，認(rèn)為凍融作用下土體干容重的改變是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素。

可見，淺層邊坡土體在凍融循環(huán)之后，其內(nèi)部水分會發(fā)生遷移從而形成最大含水層，該層抗剪強(qiáng)度相對較弱，在自重或外荷載作用下容易崩滑?；仡櫹嚓P(guān)文獻(xiàn)綜述，學(xué)者們主要通過分析黃土凍融界面的物理力學(xué)特性來探討凍融作用下黃土邊坡的穩(wěn)定性，而在實驗時，試樣常處于三向受凍狀態(tài)。實際上，邊坡土體在受凍時，一般為自上而下的一維凍結(jié)，此狀態(tài)下，土體內(nèi)部水分遷移趨勢及最大含水層位置的研究成果較少，需要進(jìn)一步探索。根據(jù)邊坡淺層土體實際的凍融情況，選擇一維凍融循環(huán)試驗和直剪試驗，測定反復(fù)凍融作用下黃土內(nèi)部水分的分布情況，確定黃土內(nèi)部最大含水層的位置及其抗剪強(qiáng)度在反復(fù)凍融作用下的變化趨勢，探究反復(fù)凍融作用下黃土邊坡淺層土體穩(wěn)定性的變化機(jī)理。此外，根據(jù)黃土邊坡淺層滑塌的特點，在對比不同的邊坡穩(wěn)定性分析方法后，選用Janbu法來分析工程案例中凍融黃土邊坡淺層土體各層的安全系數(shù)，進(jìn)而探討了反復(fù)凍融作用對黃土邊坡淺層土體穩(wěn)定性的影響。

1 材料及試驗方案

本試驗主要分為不補(bǔ)水一維凍融循環(huán)試驗及直剪試驗兩大部分。試驗所用黃土取自蘭州某路基工程旁的邊坡土體，依據(jù)中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路土工試驗規(guī)程》(JTG E40—2007)[19]對原狀土測定其物理性質(zhì)指標(biāo)，如表1所示。將土體風(fēng)干碾碎過0.5 mm篩后，以原狀土的干密度為控制密度配制成不同含水率(8.5%、10.5%、12.5%、14.5%)的試樣，實驗所用模具的底面直徑為61.8 mm，高125 mm，采用靜壓法將不同含水率的試樣分5層壓實，用保鮮膜進(jìn)行全包裹，且用保溫棉管對試樣的四周及底部進(jìn)行密封，部分凍融試樣如圖1所示。

表1 黃土的基本物理參數(shù)

圖1 凍融試樣

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

2.1.1 未凍融黃土的抗剪強(qiáng)度

圖2為不同含水率w的試樣在100、200、300、400 kPa四組壓力下所得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。在各個壓力下，不同含水率試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈應(yīng)變軟化型，且初始含水率對試樣的強(qiáng)度影響比較明顯。

圖2 不同初始含水率下土的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖3為初始含水率對試樣抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響。對土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)隨含水率的變化進(jìn)行回歸分析后發(fā)現(xiàn)，黏聚力c與含水率存在一定的函數(shù)關(guān)系，而內(nèi)摩擦角φ與含水率的關(guān)系不明顯，可見含水率對黃土抗剪強(qiáng)度的影響主要表現(xiàn)在對黏聚力的影響?；貧w方程如表2所示，試驗結(jié)果所得未凍融試樣的c、φ值如表3所示。

表2 黏聚力與含水量的回歸方程

表3 未凍融黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)

圖3 初始含水率對抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響

2.1.2 凍融黃土各層含水率測定

考慮到凍融循環(huán)的過程中存在水分損失，對凍融循環(huán)后的試樣進(jìn)行稱重并測定實際總含水量，采用烘干法測定黃土各層的實際含水量，計算黃土各層含水量占試樣總含水量的比值fi，計算公式為

(1)

式(1)中：mi為第i層的水土質(zhì)量和，g；msi為第i層土的質(zhì)量，g；m0為凍融試樣總質(zhì)量，g；ms0為凍融試樣中土的質(zhì)量，g。

進(jìn)行三組平行試驗并計算平均值，計算結(jié)果如表4所示。分析可知，在反復(fù)凍融作用下，黃土內(nèi)部水分產(chǎn)生了不均勻分布，并且土體含水量出現(xiàn)了峰值效應(yīng)，其中，w=8.5%時，黃土的最大含水層為第3層，且不隨凍融次數(shù)的增加而發(fā)生改變；10.5%≤w≤12.5%時，隨著凍融次數(shù)的增加,黃土的最大含水層從第3層逐漸遷移至第2層并保持穩(wěn)定；w=14.5%時，黃土的最大含水層為第2層，且不隨凍融次數(shù)的增加而發(fā)生改變。

表4 黃土各層含水量測定

2.1.3 凍融黃土抗剪強(qiáng)度參數(shù)測定

根據(jù)表2所得試樣各層含水率的變化情況，測定黃土最大含水層及下部土層的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，測定結(jié)果如表5所示。

結(jié)合表3～表5可知：凍融次數(shù)和初始含水率的大小是影響黃土抗剪強(qiáng)度的主要因素，含水率和凍融次數(shù)的增加均會引起黃土抗剪強(qiáng)度的降低，并且在反復(fù)凍融作用下，土體內(nèi)部的水分在遷移時發(fā)生聚集并凍結(jié)，融化后的水分會滯留在原凍結(jié)區(qū)域，產(chǎn)生最大含水層。其中，黃土的含水率和凍融次數(shù)均較低時，參與遷移凍結(jié)的水分較少，土體結(jié)構(gòu)受到的破壞程度較低，凍融作用加強(qiáng)了土顆粒間的黏結(jié)性，故表現(xiàn)為土體的黏聚力增加，內(nèi)摩擦角基本不變；黃土的含水率或凍融次數(shù)增加時，土體內(nèi)部參與凍結(jié)遷移的水分也會增加，因此土體結(jié)構(gòu)受到的破壞程度增加，致使其抗剪強(qiáng)度降低。此外，含水率較低時，由于參與遷移和凍結(jié)的水分較低，因此凍融次數(shù)的增加對最大含水層位置的影響程度較低；含水率較高時，參與遷移和凍結(jié)的水分較多，因此凍融次數(shù)的增加對最大含水層位置的影響比較明顯。當(dāng)最大含水層處較大尺寸孔隙的總面積所占的比例較大時，該處的水分主要進(jìn)行的是原位凍結(jié)，表現(xiàn)為土體最大含水層的位置不隨凍融次數(shù)的增加發(fā)生明顯的變化。

表5 黃土各層抗剪強(qiáng)度參數(shù)測定結(jié)果

2.2 黃土最大含水層的黏聚力

圖4為試樣黏聚力隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線，可以看出：w=8.5%時，黃土的黏聚力隨凍融次數(shù)的增加呈增加—減小的趨勢；w≥10.5%時，試樣的黏聚力隨凍融次數(shù)的增加呈持續(xù)減小的趨勢。隨著凍融次數(shù)的增加，各含水率黃土黏聚力減小的幅度有所降低。

圖4 凍融循環(huán)次數(shù)對黏聚力的影響

圖5為試樣黏聚力隨含水率變化的曲線，可以看出：黃土的黏聚力隨含水率的增加呈持續(xù)減小的趨勢，并且凍融次數(shù)越大，黏聚力越小，且隨含水率增加而降低的幅度越小。

圖5 含水率對黏聚力的影響

2.3 黃土最大含水層的內(nèi)摩擦角

圖6為試樣的內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)變化的曲線，可以看出：經(jīng)過第一次凍融循環(huán)后，w=8.5%試樣的內(nèi)摩擦角基本不變，其余試樣的內(nèi)摩擦角有所下降，且含水率越高，下降幅度越大；隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，各含水率試樣的內(nèi)摩擦角均呈降低的趨勢。圖7為試樣的內(nèi)摩擦角隨含水率變化的曲線，可以看出：在未進(jìn)行凍融循環(huán)時，各含水率試樣的內(nèi)摩擦角基本相同；隨著含水率的增加，各凍融循環(huán)條件下試樣的內(nèi)摩擦角均呈降低的趨勢。

圖6 凍融循環(huán)次數(shù)對內(nèi)摩擦角的影響

圖7 含水率對內(nèi)摩擦角的影響

綜上所述，黃土最大含水層的抗剪強(qiáng)度受初始含水率和凍融次數(shù)的共同影響。當(dāng)含水率和凍融次數(shù)均較低時，參與遷移凍結(jié)的水分較少，土體結(jié)構(gòu)受到的破壞程度較低，凍融作用加強(qiáng)了土顆粒間的黏結(jié)性，故表現(xiàn)為土體的黏聚力增加，內(nèi)摩擦角基本不變。當(dāng)含水率或凍融次數(shù)增加時，參與凍結(jié)的水分增加，對土體結(jié)構(gòu)造成了明顯的破壞，表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角的減小。隨著凍融次數(shù)的增加，參與凍結(jié)的水分逐漸趨于穩(wěn)定，對土體結(jié)構(gòu)的破壞程度不再有明顯的增加，表現(xiàn)為黏聚力和內(nèi)摩擦角的降低幅度逐漸減小。

3 黃土邊坡淺層土體穩(wěn)定性分析

3.1 計算模型

查閱歷年蘭州地區(qū)邊坡土體平均凍結(jié)深度，可知平均凍結(jié)深度為1.03 m。將邊坡凍結(jié)區(qū)的土體劃分為5層，每層0.206 m。邊坡模型如圖8所示。

ABCD為邊坡凍融層單位體積，m3；L為邊坡凍融層的單位長度，m；W為單位體積土層的自重應(yīng)力，kPa；τ為凍融交接層處的剪應(yīng)力，kPa；σ為凍融交接層處的正應(yīng)力，kPa；H為邊坡凍融總厚度，m；h為邊坡凍融土體劃分厚度，m

計算過程中對邊坡進(jìn)行如下假定：①邊坡土體均勻分布；②滑動面平行于坡面；③不考慮土條間作用力；④不考慮地下水的影響；⑤坡面無不良地質(zhì)作用。依據(jù)計算模型及假定，可認(rèn)為滑動面處土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角處處相等；滑動面與坡面相平行，即滑動面上部土重處處相等；滑動面與平面的夾角即為坡角。根據(jù)表1、表2計算各土層上覆土重，計算公式為

(2)

式(2)中：Wi為第i層土體上的自重應(yīng)力，kPa；ρ為土體干密度，g/cm3；fi為第i層土體含水量所占整體含水量的比值；hi為第i層土體厚度，m。

3.2 工程概況

選擇取土現(xiàn)場的黃土邊坡為研究對象，其邊坡土體的基本物理參數(shù)如表1所示，邊坡坡角為45°，無地下水補(bǔ)給，無不良地質(zhì)情況。

3.3 邊坡淺層土體安全系數(shù)計算

根據(jù)黃土邊坡淺層滑塌的特點，應(yīng)選用適合非圓弧滑動面的方法分析邊坡淺層土體的穩(wěn)定性。對比各種分析邊坡穩(wěn)定性的方法時，發(fā)現(xiàn)Janbu法[20]、擴(kuò)展Bishop法[21]和Spencer法[22]均可用于分析邊坡土體任意滑動面的穩(wěn)定性。其中，擴(kuò)展Bishop法計算簡便，精度高，但在分析邊坡穩(wěn)定性時，取矩中心的不同會影響計算結(jié)果；Spencer法計算簡便，可靠性強(qiáng)，但對滑裂面端部土體傾角的假定存在一定的盲目性；Janbu法在分析邊坡穩(wěn)定性時，考慮了邊坡土體內(nèi)部的薄弱層，而薄弱層是影響滑動面形態(tài)的重要因素，在邊坡土體滑移面及滑移范圍難以確定時，所得計算結(jié)果的可靠度相對較高，但計算過程相對復(fù)雜[23]。因此，在分析土質(zhì)邊坡在凍融過程中的淺層滑塌現(xiàn)象時，Janbu法相較于其余兩種方法而言其適用性更好。

為分析黃土最大含水層的位置及其抗剪強(qiáng)度對邊坡淺層土體穩(wěn)定性的影響，現(xiàn)利用Janbu法計算黃土邊坡淺層土體的安全系數(shù)Fs，求解方法為

(3)

根據(jù)直剪試驗結(jié)果，可將邊坡淺層土體最大含水層及下部土層均視為潛在滑動層。為驗證上述假設(shè)，基于文獻(xiàn)[20]研究成果，并結(jié)合表1和表5計算黃土邊坡淺層土體最大含水層及下部各土層的安全系數(shù)Fs，所得結(jié)果如表6所示。

表6 Janbu法計算結(jié)果

3.4 計算結(jié)果分析

分析Janbu法所得結(jié)果，發(fā)現(xiàn)反復(fù)凍融作用下淺層土體各層安全系數(shù)的變化情況相同，其中：當(dāng)w=8.5%、n=1時，邊坡淺層土體最大含水層的安全系數(shù)較大，邊坡淺層土體的安全系數(shù)隨融化深度的增加而減小，n>1時，邊坡淺層土體的安全系數(shù)在最大含水層處最小，且不隨凍融次數(shù)的增加而變化；當(dāng)10.5%≤w≤12.5%時，土體最大含水層的位置在凍融作用向坡面遷移，最大含水層處的安全系數(shù)隨凍融次數(shù)的增加呈減小-增加-減小的趨勢；當(dāng)w=14.5%時，土體最大含水層的位置在第1次凍融后便保持穩(wěn)定，且安全系數(shù)最小，因此淺層土體的穩(wěn)定性隨凍融次數(shù)的增加持續(xù)減小。

由表6可知，3種計算方法所得邊坡安全系數(shù)的差別不大，其中Janbu法計算所得結(jié)果略低于擴(kuò)展Bishop法和Spencer法，說明Janbu法在分析邊坡穩(wěn)定性時偏于保守，這與鄧東平等[20]、劉秀軍[22]利用不同方法分析邊坡穩(wěn)定性時所得結(jié)果相同。

在實際工程中，應(yīng)根據(jù)邊坡土體的力學(xué)性能和所處環(huán)境選擇不同的分析方法。當(dāng)邊坡土體力學(xué)性能相對較高，且周圍無重要建筑物時，可考慮采用擴(kuò)展Bishop法和Spencer法進(jìn)行安全性分析。在蘭州地區(qū)，黃土產(chǎn)狀豐富，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，濕陷性大，是典型的不良土體，區(qū)域內(nèi)山丘林立，溝壑縱橫，這給相關(guān)工程建設(shè)帶來了一定難度。考慮到黃土邊坡淺層土體的力學(xué)性能在反復(fù)凍融作用下的變化情況，建議在基于反復(fù)凍融作用的條件下分析蘭州地區(qū)黃土邊坡淺層土體穩(wěn)定性時，采用計算結(jié)果更為保守的Janbu法?，F(xiàn)根據(jù)Janbu法計算結(jié)果分析含水率和凍融次數(shù)對土體最大含水層的影響。

圖9為土體最大含水層的安全系數(shù)隨凍融循環(huán)次數(shù)變化的曲線。w=8.5%時，其安全系數(shù)隨凍融次數(shù)的增加持續(xù)降低；10.5%≤w≤12.5%時，其安全系數(shù)隨凍融次數(shù)的增加呈減小-增加-減小的趨勢；w≥14.5%時，其安全系數(shù)隨凍融次數(shù)的增加持續(xù)降低。圖10為土體最大含水層的安全系數(shù)隨含水率變化的曲線。n≤4時，土體最大含水層的安全系數(shù)隨含水率的增加呈減小-增加的趨勢；8≤n≤12時，土體最大含水層的安全系數(shù)隨含水率的增加出現(xiàn)增加-減小的趨勢；n=16時，土體最大含水層的安全系數(shù)隨含水率的增加持續(xù)降低。

圖9 凍融次數(shù)對安全系數(shù)的影響

圖10 含水率對安全系數(shù)的影響

綜上所述，邊坡淺層土體最大含水層的穩(wěn)定性受含水率和凍融次數(shù)的共同影響。在邊坡淺層土體最大含水層位置未改變或變化至穩(wěn)定時，該處的穩(wěn)定性最低，在邊坡發(fā)生淺層滑塌時，作為滑動面的可能性最高；在最大含水層發(fā)生變化時，土體最大含水層的安全系數(shù)有所增加，此時邊坡淺層土體的穩(wěn)定性隨凍融深度的增加而降低。因此，在實際工程中，需要根據(jù)邊坡淺層土體的含水率以及在凍融作用下各深度土體含水率的變化情況，對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行綜合分析，并采用合理的方式對邊坡土體進(jìn)行加固等防護(hù)措施。

4 結(jié)論

通過試驗測定了反復(fù)凍融作用下黃土各層的含水率及抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化情況，并以Janbu法分析反復(fù)凍融作用下邊坡淺層土體的穩(wěn)定性，得出如下結(jié)論。

(1)在一維反復(fù)凍融作用下，土體內(nèi)部的水分會向冷端(向上)不斷地遷移、聚集和凍結(jié)，并且融化時水分會出現(xiàn)滯留現(xiàn)象，最終使土體出現(xiàn)最大含水層。土體最大含水層向上遷移的高度受初始含水率的影響，并且凍融次數(shù)的增加也會改變土體最大含水層遷移的高度。

(2)土體的抗剪強(qiáng)度受凍融次數(shù)和初始含水率的共同影響。其中，初始含水率較低時，在第一次凍融后，土體各層的抗剪強(qiáng)度均有所增加，說明參與遷移和凍結(jié)的水分較少，對土體結(jié)構(gòu)的影響較低，且凍融作用起到強(qiáng)化的作用；初始含水率較高時，土體最大含水層處參與凍融的水分較其他土層最多，對土體結(jié)構(gòu)的破壞程度最大，該處的抗剪強(qiáng)度最小。

(3)凍融作用對不同初始含水率的土體會起到強(qiáng)化、劣化雙重作用。凍融作用對土體起強(qiáng)化作用時，主要體現(xiàn)在黏聚力的增加，內(nèi)摩擦角基本不變；凍融作用對土體起劣化作用時，其黏聚力和內(nèi)摩擦角均會降低。

(4)通過Janbu法、擴(kuò)展Bishop法和Spencer法對反復(fù)凍融作用下邊坡淺層土體的穩(wěn)定性進(jìn)行了對比分析，發(fā)現(xiàn)在邊坡淺層土體最大含水層位置未改變或變化至穩(wěn)定時，該處的穩(wěn)定性最低；在最大含水層發(fā)生變化時，該處的安全系數(shù)有所增加，此時邊坡淺層土體在凍融深度線處的穩(wěn)定性最低。此外，根據(jù)3種分析方法所得結(jié)果，在分析反復(fù)凍融作用下邊坡淺層土體穩(wěn)定性時，建議選用較為保守的Janbu法。

(5)邊坡淺層土體含水率較低或者較高時，反復(fù)凍融作用對土體最大含水層位置的影響較低，最大含水層為滑動面的可能性最大；而土體含水率在某一范圍內(nèi)時，當(dāng)凍融作用使淺層土體最大含水層的位置發(fā)生明顯變化時，此時邊坡淺層土體的潛在滑移面為凍結(jié)深度面。因此，在工程中應(yīng)根據(jù)凍融邊坡的實際水文條件，采用更合理、更經(jīng)濟(jì)的方式對黃土邊坡進(jìn)行防治。