黃土地區(qū)邊坡凍融剝落病害機(jī)理及穩(wěn)定性分析

許 健，鄭 翔，張 輝

1. 西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055；2. 西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

黃土是一種在特定環(huán)境中形成的具有特殊性質(zhì)的土，黃土邊坡坡面剝落破壞作為邊坡破壞的一個(gè)類型較早被人們注意.對(duì)此，已經(jīng)有很多研究學(xué)者開(kāi)展了比較深入系統(tǒng)的研究[1-7].這些研究主要針對(duì)常溫下黃土邊坡剝落病害的類型、特征、影響因素及發(fā)育規(guī)律進(jìn)行深入分析.但黃土地區(qū)多為季節(jié)凍土區(qū)，因此黃土邊坡受季節(jié)凍融的影響較大，尤其在每年春季都會(huì)頻繁發(fā)生凍融剝落病害.凍融對(duì)黃土體物理力學(xué)性質(zhì)的破壞，已有眾多學(xué)者研究.畢貴權(quán)等[8]研究了凍融循環(huán)對(duì)黃土體物理力學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律；王鐵行等[9]探究了凍融循環(huán)作用后非飽和原狀黃土剪切強(qiáng)度參數(shù)的劣化機(jī)理；周弘等[10]通過(guò)變異性分析，研究了不同凍融循環(huán)次數(shù)后重塑黃土物理性質(zhì)指標(biāo)的變化規(guī)律；董曉宏等[11]研究了凍融過(guò)程中重塑黃土強(qiáng)度特性劣化規(guī)律；李國(guó)玉[12]對(duì)凍融后壓實(shí)黃土的工程性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究；連江波[13]和肖東輝[14]等通過(guò)試驗(yàn)研究了凍融循環(huán)作用對(duì)黃土孔隙比及滲透性的影響；許健[15]等以西安Q3重塑黃土為研究對(duì)象，對(duì)經(jīng)受凍融作用后的黃土試樣進(jìn)行電鏡掃描試驗(yàn)和直剪試驗(yàn)，研究了重塑黃土凍融過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)和剪切強(qiáng)度變化規(guī)律.上述研究多是通過(guò)開(kāi)展室內(nèi)凍融試驗(yàn)，研究黃土體的物理性質(zhì)指標(biāo)及強(qiáng)度劣化機(jī)理，相應(yīng)的研究成果對(duì)進(jìn)一步探究黃土的凍融特性具有指導(dǎo)意義.但目前關(guān)于黃土邊坡凍融剝落穩(wěn)定性的研究資料非常少[16-18]，尚不能準(zhǔn)確地量化分析和預(yù)測(cè)黃土邊坡凍融剝落穩(wěn)定性.

因此，首先對(duì)黃土地區(qū)邊坡凍融剝落病害進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，初步探討黃土邊坡凍融剝落病害的成因、類型及發(fā)育特征；然后開(kāi)展室內(nèi)凍融試驗(yàn)，進(jìn)一步研究黃土體強(qiáng)度受凍融作用的影響規(guī)律；最后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研內(nèi)容和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)適合黃土邊坡凍融剝落穩(wěn)定性分析的計(jì)算公式并對(duì)典型黃土邊坡剝落體凍融過(guò)程穩(wěn)定性演化規(guī)律進(jìn)行力學(xué)分析.

1 黃土邊坡凍融剝落病害現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

為深入研究黃土地區(qū)邊坡凍融剝落病害產(chǎn)生機(jī)理及特征，課題組分別于2012年12月份(冬季)和2013年3月份(春季)到陜北黃土地區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研資料，黃土地區(qū)邊坡凍融剝落病害主要可分為三類.

1.1 邊坡表層凍融剝蝕

圖1(a)所示為黃店復(fù)線黃土邊坡表層凍融剝蝕，位于黃陵縣城西側(cè)，屬黃土殘?jiān)珳羡值孛蔡卣?病害特征表現(xiàn)為坡面凍融剝蝕，分析其原因主要是冬季凍結(jié)過(guò)程凍脹力破壞了邊坡表層土體結(jié)構(gòu)，春融季節(jié)升溫融化時(shí)土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不可回復(fù)，反復(fù)凍融作用導(dǎo)致表皮土體強(qiáng)度大大弱化，最終導(dǎo)致邊坡表層土體產(chǎn)生凍融剝蝕.

圖1(b)為延川縣城某居民區(qū)黃土邊坡表層凍融剝蝕，屬黃土高原溝谷地貌.病害特征表現(xiàn)為邊坡表層大面積凍融剝蝕，凍融剝蝕程度較一般邊坡嚴(yán)重.分析其原因，該邊坡位于群眾生活區(qū)，居民生活廢水由坡面或管道滲入邊坡土體內(nèi)部而使得邊坡土體含水率較大，經(jīng)過(guò)反復(fù)凍融作用后表層土體產(chǎn)生大面積凍融剝蝕破壞.

1.2 邊坡凍融層狀剝落

圖2(a)所示為黃陵縣中立石油加油站黃土塬側(cè)邊坡凍融層狀剝落，屬黃土高原溝谷川道地區(qū).病害特征表現(xiàn)為邊坡表層凍融層狀剝落.這主要是由于該邊坡位于居民生活區(qū)，大量居民生活用水滲入邊坡土體內(nèi)部，使得邊坡土體內(nèi)部含水率較高.冬季凍結(jié)作用下邊坡土體內(nèi)部水分向表層遷移，表層土體含水率進(jìn)一步增大.春季土體融化時(shí)，冰晶融水遷移到一定位置聚集，形成冰水交界面，該交界面土體強(qiáng)度急劇弱化.因而當(dāng)邊坡表面沒(méi)有阻擋物且具有很好的臨空面時(shí)將沿冰水界面產(chǎn)生凍融層狀剝落病害.

圖1 黃土邊坡表層凍融剝蝕Fig.1 Loess slope surface erosion under freeze-thaw cycles

圖2 黃土邊坡凍融層狀剝落Fig.2 Freeze-thaw layer spalling of loess slope

圖2(b)所示為寶雞市金陵河水泥廠區(qū)某自然邊坡凍融層狀剝落，屬黃土高原梁峁溝谷區(qū).病害特征為凍融層狀剝落且可清晰觀察到剝落面上的白色冰晶.這是由于邊破土體局部區(qū)域含水率較高，凍結(jié)過(guò)程由于水分遷移作用邊坡表層含水量大大增加而強(qiáng)度大幅度降低，春融季節(jié)沿冰水界面產(chǎn)生層狀剝落.

圖2(c)為甘泉縣城某基坑開(kāi)挖邊坡凍融層狀剝落.病害特征為邊坡表層大面積凍融層狀剝落，剝落程度較一般邊坡嚴(yán)重.分析其原因，該基坑邊坡亦位于居民生活區(qū)，一方面居民生活用水滲入坡體內(nèi)部增大了土體含水率；另一方面，該基坑為放坡開(kāi)挖，邊坡開(kāi)挖面較大且坡面沒(méi)有防護(hù)措施，因而冬季冰雪融水及春季雨水大量滲入坡體內(nèi)部，從而表層土體容重增大且強(qiáng)度大幅度降低，最終產(chǎn)生凍融層狀剝落.

1.3 邊坡小型凍融崩塌

圖3所示為綏德縣田莊鎮(zhèn)黃土溝谷邊坡凍融崩塌，病害特征為邊坡小型凍融崩塌.主要原因是該邊坡位于河流一級(jí)階地，崩塌體內(nèi)部本身含水率較大，由于凍融過(guò)程黃土體本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的劣化特性及水分遷移作用，邊坡表層局部區(qū)域抗剪強(qiáng)度大大降低，從而產(chǎn)生小型的黃土凍融崩塌災(zāi)害.

圖3 黃土邊坡小型凍融崩塌Fig.3 Small freezing-thawing collapse of loess slope

2 室內(nèi)凍融試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用黃土土樣陜西省西安市未央?yún)^(qū)某基坑內(nèi)，屬于Q3黃土.試驗(yàn)用土的基本物理指標(biāo)如表1所示.

表1 試驗(yàn)用土基本物理指標(biāo)

2.2 試樣制備

將大塊原狀土樣削成7 cm×7 cm×6 cm(長(zhǎng)×寬×高)的小塊土樣.取部分小塊土樣稱重，通過(guò)自然風(fēng)干減濕或滴水增濕的方法，保證土樣平均含水率分別達(dá)到16.5%、20.5%、24%、29%和32.5%；然后，將減濕或增濕后的小塊土樣分別放入不同的保濕缸中，保證水分均化時(shí)間大于96 h；根據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，將水分均化的小塊土樣削制成直徑為61.8 mm，高度為20 mm的環(huán)刀樣.

2.3 試驗(yàn)方案

為了構(gòu)造出一個(gè)不補(bǔ)(散)水的密閉環(huán)境，故將制備好的試樣用保鮮膜包裹嚴(yán)密；同時(shí)將此類試樣用密封袋進(jìn)行密封處理以便于觀察凍融對(duì)試樣破壞特征；隨后置于恒溫試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn).為了保證凍融時(shí)試樣水分遷移盡量最少，因此本次凍融試驗(yàn)設(shè)計(jì)為封閉系統(tǒng)下的多向快速凍融循環(huán)試驗(yàn).凍融循環(huán)具體操作過(guò)程為：低溫-20 ℃條件下凍結(jié)12 h，高溫+20 ℃條件下融化12 h；凍融循環(huán)次數(shù)為：0、1、3、5、7、10、20.待試驗(yàn)結(jié)束后，依據(jù)《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)凍融后土樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，分別施加垂直壓力100 kPa、200 kPa、300 kPa及400 kPa，測(cè)定出土樣的粘聚力和內(nèi)摩擦角.

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

2.4.1 粘聚力

圖4給出粘聚力隨凍融次數(shù)變化規(guī)律曲線.由圖可見(jiàn)，不同含水率下的原狀黃土試樣粘聚力均隨凍融次數(shù)增加而逐漸減小，同時(shí)降低幅度也逐漸減小，最終維持在穩(wěn)定值，整體呈指數(shù)衰減趨勢(shì).主要原因是環(huán)繞在土顆粒周圍的水膜在低溫下被凍結(jié)成冰，隨著冰晶的生長(zhǎng)，周圍土體顆粒不斷被擠壓，土顆粒間聯(lián)結(jié)作用失效，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度逐漸弱化，從而粘聚力降低.經(jīng)歷多次凍融循環(huán)作用后，黃土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度趨于穩(wěn)定的殘余強(qiáng)度，粘聚力也趨于穩(wěn)定.

圖4 粘聚力與凍融次數(shù)關(guān)系曲線Fig.4 Relationship between cohesion and freezing-thawing times

圖5所示為凍融過(guò)程中黃土體粘聚力隨含水率變化規(guī)律曲線.從圖中不難看出，含水率對(duì)粘聚力影響顯著，粘聚力隨含水率增加顯著減小.這是因?yàn)椋环矫婧实脑黾釉龊窳送令w粒之間結(jié)合水膜，導(dǎo)致粘聚力降低；另一方面土體含水率越大，自由水含量就越高，凍結(jié)時(shí)凍脹力越大，土顆粒之間的粘聚力破壞效果越明顯.此外，由于凍融作用導(dǎo)致黃土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞，隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，土體強(qiáng)度向著穩(wěn)定的凍融殘余強(qiáng)度數(shù)值(圖4)靠近，這就導(dǎo)致多次凍融作用后粘聚力與含水率的關(guān)系曲線走向近似一致.

圖5 粘聚力與含水率關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between cohesion and water content

2.4.2 內(nèi)摩擦角

圖6為內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)關(guān)系曲線.由圖可見(jiàn)，試樣內(nèi)摩擦角隨著凍融次數(shù)增大而略微增大，最終增加量約1°～2°，變化量不大，這樣就可以認(rèn)為凍融次數(shù)對(duì)內(nèi)摩擦角影響不大.究其原因，是因?yàn)橛绊扅S土體摩擦強(qiáng)度的主要因素是黃土顆粒之間的接觸面積及其形狀，而凍融作用對(duì)上述因素沒(méi)有明顯影響.

圖6 內(nèi)摩擦角與凍融次數(shù)關(guān)系曲線Fig.6 Relationship between internal friction angle and freezing-thawing times

圖7所示為內(nèi)摩擦角隨含水率變化規(guī)律曲線.由圖可見(jiàn)，試樣內(nèi)摩擦角隨含水率增加表現(xiàn)出相似的變化規(guī)律，都呈線性衰減的特征，但衰減幅度不大.這是由于含水率增加一定程度上降低了黃土顆粒之間的摩擦強(qiáng)度，導(dǎo)致內(nèi)摩擦角有一定降低.但由前述分析，凍融作用對(duì)黃土內(nèi)摩擦角無(wú)明顯影響，因而內(nèi)摩擦角隨含水率增加其衰減幅度不大.

圖7 內(nèi)摩擦角與含水率關(guān)系曲線Fig.7 Relationship between internal friction angle and water content

3 凍融剝落穩(wěn)定性計(jì)算分析

3.1 計(jì)算模型

根據(jù)前述黃土邊坡凍融剝落現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研情況及已有研究成果[1]，黃土邊坡坡度大于60°的高陡坡受重力作用影響易產(chǎn)生凍融塊體剝落病害，因而其計(jì)算模型可簡(jiǎn)化為基于條分法的剛體極限平衡模型，如圖8所示.基本假定如下：

(1)EDC段為折線滑動(dòng)面；BD、AE均為豎直線；基于土體摩爾-庫(kù)倫極限平衡破壞準(zhǔn)則，重力型塊體剝落其滑動(dòng)面CD與水平面的夾角β=45°+φ/2；ED面為凍融界面，與邊坡坡面平行.

(2)土條間作用力忽略不計(jì).

(3)發(fā)生剝落黃土邊坡地下水位較深，暫不考慮地下水的影響.

圖8 黃土邊坡凍融剝落計(jì)算模型Fig.8 The calculation model of freeze-thaw spalling for loess slope

由圖8，凍融深度為h=zcosα，根據(jù)圖示幾何關(guān)系可得以下關(guān)系式：

(1)

由式(1)可得：

(2)

(3)

三角形BCD的面積：

(4)

四邊形ABDE的面積：

(5)

土條的自重為(假定縱向?qū)挾葹?)：

(6)

(7)

式中：γ為剝落體的容重，kN/m3.

下滑力為

F下滑力=W1sinα·ψ+W2sinβ

(8)

抗滑力為

F抗滑力=(c·DE+W1cosαtanφ)·ψ+c·CD+
W2cosβtanφ

(9)

式中:ψ=cos(α-β)-sin(α-β)tanφ；

c為凍融后滑動(dòng)面DE和CD上的粘聚力；φ為凍融后滑動(dòng)面DE和CD上的內(nèi)摩擦角.

安全系數(shù)K最終可表示為

(10)

3.2 計(jì)算工況

凍融剝落穩(wěn)定性分析主要研究?jī)鋈诖螖?shù)N、凍融深度h及初始含水率w對(duì)剝落體穩(wěn)定性的影響，各影響因素具體水平因子見(jiàn)表2，共完成175個(gè)工況的計(jì)算分析.

表2 水平因子

注：“-”表示不存在該因子.

3.3 計(jì)算力學(xué)參數(shù)

黃土邊坡剝落體含水率及力學(xué)參數(shù)受凍融作用的影響，本文的計(jì)算參數(shù)確定是依據(jù)前述室內(nèi)凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖4-7)，同時(shí)參考其它類似巖土體的物理力學(xué)參數(shù)取值.基于前述現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，黃土邊坡發(fā)生凍融剝落時(shí)，表層土體含水率往往較高，達(dá)到或接近飽和狀態(tài)，因而計(jì)算模型中剝落體的重度γ近似按飽和重度取值，取為20 kN/m3；黃土邊坡坡度為80°.不同工況的c、φ值取自前述室內(nèi)凍融試驗(yàn)結(jié)果，具體見(jiàn)表3.

表3 計(jì)算參數(shù)表

3.4 計(jì)算結(jié)果分析

3.4.1 凍融次數(shù)對(duì)剝落體穩(wěn)定性的影響

圖9所示為凍融次數(shù)對(duì)安全系數(shù)的影響.從圖中可以看出，安全系數(shù)隨著凍融次數(shù)的增加而逐漸減小，但其降低幅度也逐漸減小，最終趨于穩(wěn)定，整體趨勢(shì)呈指數(shù)衰減.這與上述黃土體粘聚力隨凍融次數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的(圖10).原因是凍融過(guò)程中黃土的抗剪強(qiáng)度劣化特性是決定安全系數(shù)的主要因素.分析黃土室內(nèi)凍融循環(huán)抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，凍融過(guò)程粘聚力隨凍融次數(shù)增加呈指數(shù)衰減的趨勢(shì)變化，而內(nèi)摩擦角受凍融作用影響較小，這就導(dǎo)致凍融過(guò)程中黃土邊坡剝落體安全系數(shù)與粘聚力的變化規(guī)律相似.值得注意的是，當(dāng)含水率較高時(shí)(29%和32.5%)，隨著凍融次數(shù)增加，安全系數(shù)K<1，邊坡發(fā)生剝落破壞.

圖9 安全系數(shù)隨凍融次數(shù)變化規(guī)律(h=0.2 m)Fig.9 The law of safety factor varying with freezing-thawing times(h=0.2 m)

圖10 粘聚力與安全系數(shù)隨凍融次數(shù)變化規(guī)律曲線(w=16.5%,h=0.2 m)Fig.10 The law of cohesion and safety factor varying with freezing-thawing times(w=16.5%,h=0.2 m)

3.4.2 含水率對(duì)剝落體穩(wěn)定性的影響

圖11所示為黃土邊坡剝落體穩(wěn)定性安全系數(shù)隨含水率的變化規(guī)律曲線.從圖中可以看出，含水率對(duì)剝落體安全系數(shù)影響顯著，安全系數(shù)隨剝落體初始含水率增加顯著降低.這是因?yàn)檎尘哿﹄S含水量增加迅速減小(圖5)，導(dǎo)致黃土體抗剪強(qiáng)度急劇降低，從而使得安全系數(shù)大大降低.此外，從圖中還可以看出，凍融后安全系數(shù)與含水率的變化曲線近似重合，這與前述粘聚力隨含水率的變化規(guī)律是一致的.

圖11 安全系數(shù)隨含水率變化規(guī)律(h=0.2 m)Fig.11 The law of safety factor varying with water content(h=0.2 m)

3.4.3 凍融深度對(duì)剝落體穩(wěn)定性的影響

圖12所示為黃土邊坡剝落體安全系數(shù)與凍融深度變化規(guī)律曲線.由圖可見(jiàn)，剝落體安全系數(shù)隨凍融深度增加呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，逐漸趨于一個(gè)穩(wěn)定數(shù)值.這主要是因?yàn)辄S土邊坡剝落體凍融損傷范圍隨著凍融深度增加而增大，從而導(dǎo)致黃土邊坡的剝落和失穩(wěn)過(guò)程加快.從圖中還可以看出，隨著凍融深度的不斷加深，安全系數(shù)K接近或小于1，黃土邊坡達(dá)到極限穩(wěn)定狀態(tài)，黃土邊坡開(kāi)始或已經(jīng)發(fā)生剝落破壞.值得注意的是，含水率很高時(shí)(32.5%)，由于剝落體本身抗剪強(qiáng)度很低，因而安全系數(shù)隨凍融深度指數(shù)變化規(guī)律不明顯，安全系數(shù)K?1，黃土邊坡已發(fā)生剝落破壞.

圖12 安全系數(shù)隨凍融深度變化規(guī)律(N=5)Fig.12 The law of safety factor varying with freeze-thaw depth(N=5)

4 結(jié)論

(1)黃土地區(qū)邊坡凍融剝落病害主要有三類：表層凍融剝蝕、凍融層狀剝落及小型凍融崩塌；凍融剝落病害的主要原因是邊坡土體局部區(qū)域含水量較高，由于凍融過(guò)程黃土體本身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的劣化特性及水分遷移作用，邊坡表層土體抗剪強(qiáng)度大大降低，從而產(chǎn)生凍融剝落病害.

(2)隨著凍融次數(shù)增加，黃土試樣粘聚力呈指數(shù)衰減趨勢(shì)；粘聚力隨含水率增加顯著減小且凍融后粘聚力與含水率的關(guān)系曲線基本相同.內(nèi)摩擦角隨凍融次數(shù)增加略有增大但沒(méi)有顯著變化；內(nèi)摩擦角隨含水率增加呈線性衰減特征，但衰減幅度不大.

(3)隨著凍融次數(shù)增加，黃土邊坡安全系數(shù)也呈指數(shù)衰減趨勢(shì)，這與黃土體粘聚力隨凍融次數(shù)的變化規(guī)律相一致；含水率較高時(shí)，隨凍融次數(shù)增加，安全系數(shù)K<1，邊坡發(fā)生剝落破壞.安全系數(shù)隨剝落體初始含水率增加顯著降低且凍融后安全系數(shù)與含水率的變化曲線近似重合.隨凍融深度增加，安全系數(shù)呈指數(shù)衰減趨勢(shì)；當(dāng)含水率很高時(shí)，安全系數(shù)隨凍融深度指數(shù)沒(méi)有明顯變化，安全系數(shù)K?1，邊坡已發(fā)生剝落破壞.