季凍區(qū)公路邊坡凍融破壞規(guī)律及影響因素研究

李勁松，李云鵬，張利東，王新軍

(1.吉林省高等級公路建設(shè)管理局，吉林 長春 130022；2.交通運輸部科學研究院，北京 100029)

高速公路邊坡失穩(wěn)破壞不僅會導致包括植被損毀、水土流失等一系列的環(huán)境問題，也會對公路運營帶來安全隱患。對于邊坡破壞機理和防治的研究一直是學者們關(guān)注的熱點問題之一。目前，我國對常溫地區(qū)的邊坡失穩(wěn)破壞類型、模式以及穩(wěn)定性問題進行了深入的研究，取得了大量的研究成果。李靖對高速公路高邊坡病害的產(chǎn)生原因進行了分析，系統(tǒng)的給出了施工期間對邊坡病害防治的建議。劉立權(quán)采用多維數(shù)值分析方法，對河北省太行山、燕山區(qū)域19條段的278處高邊坡進行可靠度計算，實現(xiàn)了對山區(qū)高速公路高邊坡穩(wěn)定性可靠度分級，評價結(jié)果為高速公路管理部門提供了參考。而對于公路邊坡凍害的研究則主要集中在多年凍土區(qū)，在季節(jié)凍土區(qū)，公路邊坡在冬春之交常發(fā)生邊坡滑塌破壞等地質(zhì)災(zāi)害，氣溫的周期性變化引起土體反復的凍結(jié)與融化，從而導致土體發(fā)生表層凍融剝蝕、凍融層狀剝落，甚至小型凍融崩塌。趙堅研究了季節(jié)性凍融循環(huán)對坡體安全系數(shù)的影響，通過淺層穩(wěn)定分析，得到在季凍區(qū)影響坡體安全系數(shù)的主要因素為坡面荷載、坡度、融化深度以及融化土體的抗剪強度。葛琪等研究了季節(jié)冰凍區(qū)土質(zhì)邊坡在春融期常發(fā)生的淺層滑坡與凍融界面水分積聚的關(guān)系，通過凍融界面土坡的失穩(wěn)破壞試驗得出隨著含水量及凍融次數(shù)的不斷提高，邊坡發(fā)生的淺層滑坡的可能性增高。但目前在邊坡工程理論以及凍土工程特性對于凍融作用引起邊坡失穩(wěn)形成機理的研究相對不足，對季節(jié)凍土區(qū)凍融型邊坡破壞特征、機理研究較少，尤其對季節(jié)凍土區(qū)道路邊坡變形監(jiān)測、凍融循環(huán)對于土體強度的影響、邊坡失穩(wěn)的觸發(fā)條件和演化過程等缺乏系統(tǒng)研究。本文通過對季凍區(qū)高速公路邊坡進行地溫監(jiān)測，結(jié)合土壤物理性質(zhì)和氣象數(shù)據(jù)的對比分析，研究季凍區(qū)高速公路邊坡凍融破壞規(guī)律及影響因素，以期為季凍區(qū)高速公路邊坡凍融破壞防治提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

鶴崗至大連高速(G11，以下簡稱鶴大高速公路)白山段，途徑沿江鄉(xiāng)、露水河、萬良鎮(zhèn)、撫松縣等地。項目全長190 km，起點樁號K715，終點樁號K905，項開工時間為2014年4月，2016年10月建成通車。公路沿線屬于典型的微丘及低山丘陵區(qū)，平均海拔在400～830 m之間。該區(qū)屬于中溫帶大陸性季風氣候，春季干燥多風，夏季炎熱多雨，7～8月為雨季，年平均氣溫2.8 ℃，年平均降雨量760～830 mm，最大凍土深度126 cm。研究區(qū)域內(nèi)植被類型為天然次生林及人工林，主要植被種類有長白落葉松、紅松、大青楊、毛榛、五加、刺五加、衛(wèi)予、山茄子、子棉馬、木賊蕨、掌葉鐵蕨、陰地苔等，土壤以為暗棕色森林土、棕色針葉林土、山地生草森林土為主，少部分為沼澤土和草甸土，試驗邊坡土壤為暗棕壤。

1.2 地溫監(jiān)測

為了研究季凍區(qū)公路邊坡淺層土壤地溫變化對凍融循環(huán)的影響，在研究區(qū)域內(nèi)設(shè)置2處地溫監(jiān)測站點見表1，分別記錄和觀察有無植被覆蓋條件下，土壤溫度隨時間的變化，分析植被對凍融循環(huán)的影響。研究選取了鶴大高速公路K770+350和K773+600兩處陽坡設(shè)置地溫監(jiān)測站點，每個站點設(shè)置一體化地溫自動監(jiān)測站(JW100)一個，同時埋設(shè)地溫傳感器(JWSD-100 dW)3枚，埋設(shè)深度為土壤下15～30 cm，監(jiān)測頻率為4 h/次，一天共計數(shù)據(jù)6次。試驗從2018年11月開始，直到2019年5月份結(jié)束(土壤解凍時間)。

表1 調(diào)查邊坡基本特征表

1.3 土壤容重的測定

采用環(huán)刀法測量土壤容重，環(huán)刀直徑為50.46 mm，容積為100 cm3，測量深度為0.1 m和0.3 m。采樣前用鏟子清理掉測量深度以上的土壤，待露出測量深度土壤時用環(huán)刀托采集未擾動土樣，使土樣充滿環(huán)刀，并用修土刀對土壤兩面進行修整并加蓋后帶回室內(nèi)進一步測量，每個土壤深度采集5個土壤樣品，取樣時間為2019年7月。將環(huán)刀內(nèi)的土壤進行烘干測量其干重M，則土壤容重可用公式(1)計算，試驗中共采集土樣20個，每個采樣點的土壤容重采用算數(shù)平均值計算。

r=M/100

(1)

式中：r為土壤容重，g/cm3。

1.4 土壤含水率測定

采用烘干法測量土壤含水率，試驗前用土鉆對土壤深度在0.1 m和0.3 m的土壤樣品進行采集，每個土壤深度采集5個土壤樣品，采集的樣品裝入自封袋后帶回室內(nèi)進一步測量，取樣時間為2019年7月。將帶入室內(nèi)的土壤樣品分別裝入承重后的鋁盒內(nèi)，記錄此時的總重量m1后打開蓋子放入恒溫箱內(nèi)在105 ℃下烘8 h，結(jié)束后烘箱溫度下降至40 ℃時取出鋁盒并蓋好蓋子，待冷卻至室溫時測量此時的重量m2。此時的土壤含水率可用公式(2)計算，試驗中共采集土樣20個，每個采樣點的土壤含水率采用算數(shù)平均值計算。

w=(m1-m2)/(m2-m)×100%

(2)

式中：w為土壤含水率，%；m為鋁盒質(zhì)量，g。

1.5 土壤抗剪強度測定

試驗采用手持便攜式十字板剪切儀(PVST-3)測量不同覆蓋條件及土壤深度內(nèi)的土體抗剪強度。通過對土體施加一定扭矩，將土體剪壞，測定土體因抗剪對試驗儀器產(chǎn)生的最大扭矩，通過換算得到土體抗剪強度植。同一個土壤深度內(nèi)測量5次，土體抗剪強度結(jié)果采用平均值來表示。試驗共測量不同點位6處，測量土體抗剪強度共計60次。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用excel2010對數(shù)據(jù)進行分析，采用SPSS 20.0對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋條件下土壤溫度的變化

如圖1所示為不同覆蓋條件下土壤溫度與氣溫隨時間的變化關(guān)系。由圖可知，在不同覆蓋條件下，土壤溫度變化趨勢基本相同，在測量周期內(nèi)其溫度在-15～12 ℃之間，土壤溫度的最低值出現(xiàn)在1月份，分別為-14.93 ℃(無植被覆蓋條件下)和-13.63 ℃(有植被覆蓋條件下)，最高值出現(xiàn)在5月份，分別為11.21 ℃(無植被覆蓋條件下)和8.63 ℃(有植被覆蓋條件下)。在測量前期(11月27日～12月24日)，不同覆蓋條件下土壤溫度隨時間的變化較小，隨著繼續(xù)測量，土壤溫度在24 h內(nèi)呈現(xiàn)波動變化，且表現(xiàn)為有植被覆蓋的土壤溫度明顯高于無植被覆蓋的土壤溫度。進入2月中旬到3月底，不同覆蓋條件下土壤溫度隨時間的變化區(qū)域不變，進入4月后，24 h內(nèi)波動加劇，且表現(xiàn)為無植被覆蓋的土壤溫度明顯高于有植被覆蓋的土壤溫度。

圖1 不同覆蓋條件下土壤溫度與氣溫隨時間的變化關(guān)系

研究區(qū)域日最高氣溫與最低氣溫的變化趨勢基本相似，12月初到2月初，日最高氣溫普遍在0 ℃以下，且波動較為強烈，最低氣溫為-28 ℃。在這一時期內(nèi)，土壤溫度與氣溫不存在明顯的關(guān)系，進入3月份，氣溫日變化較小，土壤溫度在經(jīng)過一段保持不變后緩慢升高，且表現(xiàn)出與日氣溫相似的變化規(guī)律(如3月17日～3月20日、4月23日～4月27日、5月4日～5月7日等)，尤其是日最低氣溫普遍在0 ℃以上時，這種相似的變化趨勢更明顯。在整個測量時間段內(nèi)，土壤溫度一直保持在日最高氣溫和日最低氣溫附近變化，在測量前段土壤溫度接近甚至高于日最高氣溫，而后逐漸在日最高氣溫和日最低氣溫之間變化，在測量后段土壤溫度接近日最低氣溫，而后低于日最低氣溫1～3 ℃左右。

2.2 不同覆蓋條件下土壤抗剪強度的變化

不同覆蓋條件下土壤含水率和土壤抗剪強度變化如表2所示，土壤容重在不同位置不同深度內(nèi)的差異較小，但無植被覆蓋的土壤容重量要大于有植被覆蓋邊坡土壤。同樣的，無植被覆蓋各土壤深度內(nèi)土壤含水率均高于有植被覆蓋，且均表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而減小的趨勢。應(yīng)用持便攜式十字板剪切儀測量的臨界剪切應(yīng)力則表現(xiàn)為隨著土壤深度的增加而增加，但也表現(xiàn)為無植被覆蓋土壤的臨界剪切應(yīng)力要大于有植被覆蓋的情況。

表2 不同覆蓋條件下土壤含水率和土壤抗剪強度

3 結(jié)論與討論

3.1 季凍區(qū)公路邊坡凍融作用變化規(guī)律

通過對比分析不同覆蓋條件下土壤溫度和日氣溫隨時間的變化規(guī)律可知，以24 h為間隔，進入冬季后土壤溫度呈現(xiàn)明顯的波動變化，當日最高氣溫達到最低和日最低氣溫接近0 ℃時波動變化最為強烈。24 h時間間隔內(nèi)，土壤溫度差最大達到6 ℃左右，以日最低氣溫接近0 ℃時的波動變化為基礎(chǔ)，土壤溫度差在0 ℃變化的次數(shù)為20次，可見研究區(qū)域凍融破壞發(fā)生的時間大約在4月份，持續(xù)時間在1個月左右，這與湯潔等研究一致。除此之外，土壤封凍后日氣溫變化趨緩時，土壤溫度也變化較緩，在土壤解凍過程中，日最低氣溫可以明顯的表征土壤溫度的日變化，但土壤溫度存在一定的滯后性。李東方等通過對比沙丘和草甸地溫與凍融過程得到，有植被覆蓋的地溫滯后變化更為明顯，且含有植被的土壤凍結(jié)和溶解速度明顯低于裸露土壤。不同覆蓋條件下，土壤溫度的變化也存在差異，以24 h為間隔，有植被覆蓋條件下的土壤溫度變化差值比無植被覆蓋條件下的土壤溫度變化差值低1 ℃左右，在吳小波等人的研究中發(fā)現(xiàn)，稀疏植被的存在對凍土有很大的影響，植被的存在使得凍土的活動層厚度和年平均地溫明顯增加。當土壤溫度發(fā)生日波動時，有植被覆蓋條件下的土壤溫度整體更靠近0 ℃。在整個測量周期內(nèi)，當土壤溫度發(fā)生日波動時，有植被覆蓋條件下的土壤溫度變化范圍在22 ℃，而無植被覆蓋條件下的土壤溫度變化范圍則為26 ℃左右。

3.2 季凍區(qū)公路邊坡凍融破壞影響因素

通過分析不同覆蓋條件下土壤物理性質(zhì)變化差異可知，有植被覆蓋的邊坡其土壤容重、土壤含水率均小于無植被覆蓋的邊坡。由于植物根系生長的影響，使得含有植物的邊坡土壤松動，土壤滲透性增加，加上根系對水分的吸收，導致土壤含水率下降。焦瑞等人的研究表明，根系通過吸水作用降低了土壤含水率，但隨著土壤深度的增加，根系對土壤含水率的影響逐漸減弱，土壤質(zhì)地對土壤含水率的影響逐漸增強，土壤含水率與土壤粘粒含量之間呈正相關(guān)關(guān)系。在植被存在的條件下，土壤溫度達到0 ℃的時間被延緩，而在土壤解凍時，由于植物的作用，減緩了溫度的日變化。除此之外，盡管有植被覆蓋條件下土壤臨界剪切強度小于無植被覆蓋條件下，但由于植物根系在土壤中錯綜纏結(jié)，當土體發(fā)生開裂或崩壞時，含有植物根系的土體在發(fā)生一定位移后根系的抗拉和抗剪強度發(fā)揮作用，在很大程度上阻止了土體的進一步的破壞，而無植被覆蓋的邊坡，由于土壤中不存在這種加筋作用，土體在承受一定外力后被破壞，發(fā)生崩塌或滑落。Li等人的研究中同樣發(fā)現(xiàn)根系對土壤的穩(wěn)固作用主要是依靠橫向根系的加筋作用，即使土體發(fā)生裂縫，根系也能提供很好的抵抗繼續(xù)破壞的作用。

4 結(jié) 論

本研究通過測量不同覆蓋條件下土壤溫度以及土壤其他物理性質(zhì)的變化，結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，通過對比分析研究季凍區(qū)公路邊坡凍融作用變化規(guī)律以及凍融破壞的影響因素。結(jié)果表明，土壤溫度和土壤含水率是影響季凍區(qū)公路邊坡凍融破壞的主要因素，土壤溫度的日變化可以很好的表征凍融破壞的發(fā)生過程，當氣溫降低時，土壤溫度會在0 ℃以下發(fā)生較大的波動，隨著氣溫的升高，土壤溫度在保持一段時間不變后，開始升高，且在日最低氣溫接近0 ℃時發(fā)生凍融循環(huán)作用。植被的存在很大程度上會影響凍融循環(huán)，通過植物以及植物根系的作用，可以有效延緩土壤凍結(jié)時間，降低土壤含水率以及增加土壤抵抗剪切破壞的能力，從而阻止凍融破壞的發(fā)生。因此，在以后的季凍區(qū)公路邊坡防護中，應(yīng)采取合理的植物手段預(yù)防凍融破壞的發(fā)生。