季節(jié)性凍土區(qū)粗顆粒土邊坡自然演化特征試驗(yàn)研究*

趙 文 汪小靜 徐正宣 付文麗 蔣世銀

(西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院， 成都 610031， 中國)

0 引 言

21世紀(jì)中國西部高山峽谷地區(qū)主要工程地質(zhì)問題之一是凍土的凍融變形、穩(wěn)定及其處理技術(shù)(伍法權(quán)， 2001)。正在勘測(cè)設(shè)計(jì)的川藏鐵路主要位于青藏高原，穿越大量的高寒區(qū)富水坡麓、河床和溝槽型季節(jié)性粗顆粒凍土地區(qū)。該地區(qū)的粗顆粒土粉黏粒含量相對(duì)較高，細(xì)顆粒含量對(duì)凍脹極為敏感(Chamberlain， 1983； Vinson et al.， 1986， Bilodeau et al.， 2008)，在季節(jié)凍融作用下，其物理、水理、力學(xué)性質(zhì)極易發(fā)生變化，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定(朱磊， 2018)。對(duì)與擬建川藏鐵路條件類似的G317、G318國道邊坡調(diào)查表明，粗顆粒土邊坡在季節(jié)凍融作用下會(huì)發(fā)生緩慢滑移或流動(dòng)，變形破壞類型主要有表層溜坍、滑塌、沖刷、熱融滑塌等，邊坡穩(wěn)定性問題十分突出(牛富俊等， 2004； 楊百祥， 2017； 朱磊， 2018)。季節(jié)性粗顆粒土邊坡穩(wěn)定性問題是川藏鐵路建設(shè)必然面對(duì)的重要工程地質(zhì)問題，探討粗顆粒土邊坡自然演化規(guī)律，特別是反復(fù)降雨-日曬-凍融過程對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響，對(duì)川藏鐵路的科學(xué)設(shè)計(jì)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)多年凍土工程特性、流變理論、長(zhǎng)期強(qiáng)度、凍土破壞動(dòng)力學(xué)等的研究成果極為豐富(Цытович， 1983； Orlando et al.， 2011； 張魯新等， 2011)。對(duì)于季節(jié)性粗顆粒凍土，工程特性的研究目前較為深入，如凍融作用對(duì)土體干容重和含水率的影響(楊成松等， 2004)，非飽和粗顆粒土體凍脹特性(李安原等， 2015； 卜建清等， 2015； 高建強(qiáng)等， 2018)，凍融過程中抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化規(guī)律(王麗黎， 2016)，抗剪強(qiáng)度與含水率的關(guān)系(張林林， 2017； 朱磊， 2018)等等。在此基礎(chǔ)上，通過強(qiáng)度折減分析凍土邊坡的穩(wěn)定性(王立娜， 2008； 鮑挺等， 2013； 劉欣欣， 2013； 崔廣芹等， 2018)。對(duì)季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡，考慮凍融后土體物理力學(xué)參數(shù)變化對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響較多，對(duì)自然環(huán)境中降雨-日曬-凍融等反復(fù)綜合作用的影響考慮較少。

青藏高原是中國太陽輻射量最多的地區(qū)(華維等， 2009)，強(qiáng)降雨集中在6月至8月(王騰等， 2017)，日照、降雨等因素同樣對(duì)邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。本論文針對(duì)粗顆粒土邊坡自然演化特性開展試驗(yàn)研究，分析粗顆粒土邊坡在降雨-日曬-凍融-再降雨等自然條件下的變化特征，揭示粗顆粒土邊坡在自然環(huán)境中的演化規(guī)律，為季節(jié)性粗顆粒凍土地區(qū)工程建設(shè)提供參考。

1 工點(diǎn)概況

試驗(yàn)土樣取自邦達(dá)地區(qū)擬建川藏鐵路某邊坡工點(diǎn)，其經(jīng)緯度坐標(biāo)為97.1917°E， 30.4300°N。土體為坡殘積土，取樣點(diǎn)邊坡如圖1所示?，F(xiàn)場(chǎng)用灌水法測(cè)得土體天然密度為1.80g·cm-3，天然含水率17.8%。篩分試驗(yàn)表明土體顆粒粒徑小于0.075mm占14%，粒徑0.075～2mm占20%，粒徑2～20mm占50%，粒徑大于20mm占16%，根據(jù)鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)(TB10077-2019)(中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編寫組，2019)，土體為角礫土。

圖1 取樣點(diǎn)邊坡

該取樣點(diǎn)邊坡高約6m，上陡下緩。上邊坡高約2.5m，坡度60°～75°，局部坡壁存在豎向裂隙，有坍塌痕跡，并有進(jìn)一步坍塌的趨勢(shì)； 下邊坡高約3.5m，坡度35°～45°，坡面雜草叢生，下邊坡較穩(wěn)定。整體邊坡尚處于變形破壞發(fā)展階段。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

為模擬邊坡在年周期內(nèi)經(jīng)歷的自然環(huán)境作用，如夏季降雨、暴曬，冬季凍結(jié)，春季融化等自然過程，分別采用多次降雨-日曬、凍融循環(huán)和降雨-日曬-凍融循環(huán)組合條件來模擬季節(jié)凍土區(qū)粗顆粒土邊坡的演化特征及規(guī)律。

試驗(yàn)裝置由試驗(yàn)?zāi)Ｐ推脚_(tái)、降雨裝置、日曬裝置、冷凍裝置、監(jiān)測(cè)裝置組成。試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D如圖2所示，實(shí)際試驗(yàn)裝置如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪疽鈭D

圖3 試驗(yàn)裝置

降雨裝置布置在邊坡上方0.85m處，采用20cm間隔鋼架固定φ8mm供水管網(wǎng)，管網(wǎng)上安裝可調(diào)節(jié)水量的霧化噴頭，然后連接閥門、流量表。經(jīng)測(cè)試降雨裝置的降雨強(qiáng)度可達(dá)到58mm·d-1，符合暴雨強(qiáng)度要求。

日曬裝置布置在坡頂和坡中以上0.85m處，采用普通小型取暖器。經(jīng)測(cè)試，取暖器開啟后，坡頂和坡面溫度約40～50℃，符合夏季地表溫度狀態(tài)。日曬裝置用于降雨后模型烘干及凍結(jié)后模型中冰的融化。

冷凍裝置由蒸發(fā)器、保溫棉、冷凝器、壓縮機(jī)等構(gòu)成。蒸發(fā)器采用外徑8mm，內(nèi)徑6mm的細(xì)銅管繞制而成，銅管間距3cm，銅管的橫向?qū)挾缺绕旅鎸挾日?～4cm。為確保模型土體均勻降溫，將銅管固定于鐵絲網(wǎng)上，鋪在模型表面，并采用保溫棉覆蓋試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，隔絕外部熱量侵入，提高制冷效果(蔣世銀， 2019)。試驗(yàn)采用的冷凍裝置其表面溫度為-10℃，該裝置可模擬符合實(shí)際的由表及里的冷凍過程。

監(jiān)測(cè)裝置包括坡面位移監(jiān)測(cè)、土體溫度監(jiān)測(cè)、坡面含水率監(jiān)測(cè)。邊坡位移測(cè)量采用高精度激光測(cè)距儀，其測(cè)量精度±0.1mm，其固定支架位置如圖2所示。同時(shí)在模型框架有機(jī)塑料板上刻畫網(wǎng)格，輔助觀測(cè)變形。溫度監(jiān)測(cè)采用PT100溫度傳感器，其測(cè)值范圍為-50～+250℃，精度為±0.3℃。坡面土體含水率監(jiān)測(cè)采用HSTL-TRSC02型土壤濕度傳感器，其精度為0.2%。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

位移、溫度、含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎向等間距設(shè)置5層，如圖4所示的第1～第5層。每層水平方向在模型中心、左右各25cm設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，取每層3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值代表該層位移。溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于坡頂面(A1～A6)、坡頂(B1～B6)、坡中部(C1～C5)、坡腳(D1～D5)。溫度傳感器距離表面垂直深度分別是1cm、2cm、3cm、5cm、8cm、13cm。坡面含水率監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于坡頂、坡中、坡腳，與溫度傳感器的B1、C1、D1點(diǎn)位置相同。濕度傳感器探針長(zhǎng)5.5cm，因此坡面含水率代表的是坡頂、坡中、坡腳表層5.5cm范圍土體含水率的平均值。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)圖

坡體變形和坡面土體含水率在每次降雨-日曬循環(huán)或凍融循環(huán)后進(jìn)行測(cè)量； 凍融循環(huán)過程中，每30min測(cè)量一次溫度。

2.3 試驗(yàn)過程

將現(xiàn)場(chǎng)取回土樣烘干后進(jìn)行篩分，剔除個(gè)別粒徑大于50mm的顆粒，試驗(yàn)用土根據(jù)實(shí)測(cè)級(jí)配和所需含水率配制，最大顆粒粒徑為50mm。

2.3.1 降雨-日曬循環(huán)

模型坡高1m，坡度設(shè)計(jì)為45°和60°兩種坡形。邊坡分10層填筑，按土體密度為1.8×103kg·m-3計(jì)算出每層填筑土量，然后分層填筑夯實(shí)至每層高度。模型填筑完成靜置24h后削坡至所需坡度。

模型邊坡完成后，記錄邊坡坡面初始狀態(tài)，然后進(jìn)行人工降雨，觀察邊坡變化。根據(jù)昌都地區(qū)氣象特點(diǎn)， 99%的雷暴降雨持續(xù)時(shí)間在80min以內(nèi)(唐佳芳等， 2011)，因此人工降雨時(shí)間為80min，降雨停止后測(cè)量邊坡變形和含水率。然后再啟用日曬裝置，通過調(diào)節(jié)取暖器加熱時(shí)長(zhǎng)，使坡面土體含水率恢復(fù)至18%左右，觀察并記錄邊坡的變化。再重復(fù)進(jìn)行降雨-日曬循環(huán)試驗(yàn)，直至邊坡平均坡度變化量小于5°時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

2.3.2 凍融循環(huán)

相關(guān)學(xué)者研究認(rèn)為，初始含水率是影響粗顆粒土凍脹特性的主要因素(Konrad et al.， 2005； 王天亮等， 2013)，因此設(shè)計(jì)了兩種含水率條件下的邊坡凍融循環(huán)試驗(yàn)。根據(jù)降雨-日曬循環(huán)后邊坡穩(wěn)定坡度，按含水率為18%和22%制作邊坡模型，邊坡高1m。填筑方法與降雨-日曬循環(huán)試驗(yàn)的模型填筑方法相同，填筑同時(shí)在坡體中埋設(shè)溫度傳感器。模型制作完成后，在坡面上安放蒸發(fā)器，覆蓋保溫棉。設(shè)計(jì)邊坡凍結(jié)深度取最大粒徑的1.5倍左右，即8cm。試驗(yàn)中當(dāng)A5、B5、C5、D5的溫度都為負(fù)溫后，再冷凍30min后停止制冷，并進(jìn)行邊坡變形測(cè)試。然后開啟加熱裝置，融化時(shí)待坡內(nèi)溫度全為正溫時(shí)停止加熱，測(cè)量土體變形及坡面含水率等。模型靜置2h后重復(fù)進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，直到坡面土體凍脹量較前一次差值小于5%時(shí)結(jié)束試驗(yàn)。

2.3.3 再次降雨

22%含水率邊坡凍融循環(huán)試驗(yàn)結(jié)束后，再次模擬降雨工況，降雨持續(xù)80min，分析邊坡的變形特征。

3 降雨-日曬循環(huán)邊坡演化特征

60°邊坡降雨-日曬循環(huán)后坡面變形如圖5所示。降雨-日曬過程中，除了土體干濕發(fā)生變化，還存在降雨沖刷作用。干濕循環(huán)過程中，土體結(jié)構(gòu)變化并不是完全可逆的，土體產(chǎn)生累積收縮/膨脹形變(鞏學(xué)鵬等， 2019)。第1次降雨-日曬循環(huán)后坡面變化不大； 第2次降雨-日曬循環(huán)后，坡頂產(chǎn)生局部坍塌，坡體中上部土體產(chǎn)生溜坍，破壞的土體堆積于坡腳； 第3次降雨-日曬循環(huán)后，坡頂局部土體繼續(xù)坍塌，坡體中上部土體變化不大； 第4次降雨-日曬循環(huán)后，坡頂局部坍塌進(jìn)一步擴(kuò)大，坍塌后坡面中上部坡度趨于一致，坡下部坡度較緩。

圖5 60°邊坡降雨-日曬過程中坡面水平位移

60°邊坡降雨-日曬循環(huán)后邊坡坡度變化如圖6、圖7所示。本試驗(yàn)中， 60°角礫土邊坡在降雨-日曬循環(huán)過程中，坡度逐漸變緩，坡體逐漸穩(wěn)定于43°左右，坡腳松散土體堆積坡度約25°。對(duì)比實(shí)際取樣點(diǎn)邊坡現(xiàn)狀，該邊坡上陡下緩，上部陡坡段(60°～75°)破壞跡象明顯，下部緩坡段較穩(wěn)定，邊坡尚在變形破壞之中，這與模型試驗(yàn)的結(jié)果是一致的。

圖6 60°邊坡降雨-日曬循環(huán)坡度變化

圖7 60°邊坡4次降雨-日曬循環(huán)后坡面的變化

60°角礫土邊坡降雨-日曬循環(huán)后基本穩(wěn)定于43°，再次采用相同材料進(jìn)行45°邊坡降雨-日曬循環(huán)試驗(yàn)，邊坡變形如圖8所示，降雨-日曬循環(huán)后邊坡如圖9所示。從圖8可以看出，經(jīng)過4次降雨-日曬循環(huán)， 45°邊坡從坡頂?shù)狡履_變形微小，基本無明顯變化。觀察坡面土顆粒情況，粗顆粒仍留在坡面，表層部分細(xì)顆粒隨坡面匯流流失，坡面匯流較清澈，說明45°角礫土邊坡整體穩(wěn)定性較好，降雨-日曬循環(huán)作用下未發(fā)生明顯變形破壞。該試驗(yàn)中的角礫土初始級(jí)配、含水率、密度等是特定的，說明土體初始物理力學(xué)性質(zhì)一定時(shí)，在降雨-日曬循環(huán)作用下，會(huì)向某一穩(wěn)定坡度發(fā)展演化。

圖9 45°邊坡4次降雨-日曬循環(huán)后坡面的變化

4 凍融循環(huán)邊坡演化特征

降雨-日曬循環(huán)作用下該角礫土邊坡穩(wěn)定坡度為43°左右，采用43°角礫土邊坡進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，分析穩(wěn)定邊坡在凍融過程中的變化特征。

邊坡在凍融過程中不同時(shí)刻凍結(jié)深度如圖10a所示?？梢钥闯觯瑑鼋Y(jié)深度隨凍結(jié)時(shí)間逐漸增大。坡面在冷凍8h后均降到了負(fù)溫，凍結(jié)20h后，坡面凍結(jié)深度大于8cm。圖10b為5號(hào)傳感器溫度隨凍結(jié)時(shí)間變化曲線， 5號(hào)傳感器在凍結(jié)12～20h后全部達(dá)到負(fù)溫，滿足試驗(yàn)對(duì)凍結(jié)深度的要求。

圖10 凍結(jié)深度及坡體降溫曲線

4.1 凍脹量

試驗(yàn)中的凍脹量是指凍脹后坡面的變形量，反映坡面的凍脹程度。圖11是w=18%時(shí)邊坡凍脹量隨凍脹次數(shù)的變化曲線，每一層坡面凍脹量取該層3個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均值。第1次凍脹后，邊坡變形4.8～5.5mm，其后再次凍融循環(huán)后，每次凍脹量比前一次有所增加，但增加幅度變緩。第4次凍脹后，凍脹變形逐漸趨于穩(wěn)定。

圖11 w=18%邊坡凍脹量隨凍融次數(shù)的變化

凍結(jié)過程中坡面表層土體凍脹，凍融循環(huán)使邊坡表層土體結(jié)構(gòu)變松散。融化過程中，冰晶融水以及部分冷凝管融霜水分進(jìn)入表層松散土體空隙中，含水量增多，凍脹量增大，因此前4次邊坡表層土體凍脹量隨凍融次數(shù)的增多而增加。而第4次凍融后，坡面土體的松散程度已無明顯變化，凍脹量趨于穩(wěn)定。6次凍融過程中，坡頂(第1層)凍脹量最大，為7.8mm，坡面由上至下(第2至第5層)凍脹量逐漸減小，凍脹量分別為7.5mm、7.3mm、7.2mm、6.8mm，平均值7.2mm，約為凍結(jié)深度的0.09倍。坡頂因兩個(gè)方向同時(shí)降溫，凍脹量最大，坡體只受單方向的降溫且冷凝管融霜水分一部分隨坡面流失，滲入土體的水分較少，凍脹量相對(duì)較小。

圖12為22%含水率邊坡凍脹量隨凍融次數(shù)的變化曲線。6次凍融過程中，同樣是坡頂凍脹量最大，約為9.1mm。坡面由上至下(第2至第5層)凍脹量依次減小。凍脹量分別為8.7mm、8.5mm、8.1mm、7.9mm，平均值8.3mm，約為凍結(jié)深度的0.10倍。對(duì)比圖11，土體含水率越大，邊坡的凍脹量越大，說明其他條件不變情況下，邊坡土體初始含水率是影響凍脹量的重要因素。

圖12 w=22%邊坡凍脹量隨凍融次數(shù)的變化

4.2 坡面土體含水率

圖13、圖14是兩種含水率邊坡坡面土體含水率隨凍融次數(shù)的變化曲線。隨著凍融次數(shù)的增多，坡面土體含水率都在增加。凍結(jié)過程中，冷凝器銅管的溫度急劇降低，空氣中水蒸氣在冷凝器表面結(jié)霜，融化時(shí)滲入坡體，導(dǎo)致土體含水率增加。楊百祥(2017)、梁樹等(2019)對(duì)季節(jié)性粗顆粒凍土研究認(rèn)為邊坡發(fā)生破壞的主要原因是積雪消融下滲的反復(fù)作用，積雪消融入滲改變了季節(jié)性粗顆粒凍土的水分場(chǎng)。實(shí)際上青藏高原冬季會(huì)普遍降雪，積雪融化后也會(huì)增加邊坡土體含水量，冷凝管結(jié)霜類似于實(shí)際邊坡中的降雪。由于水分在重力作用下向坡腳遷移，所以坡腳含水率相對(duì)最大。凍融后含水率增加的另一個(gè)因素是土體凍結(jié)過程中，坡內(nèi)的水分會(huì)向坡面凍結(jié)處遷移。高玉佳等(2010)研究得出地表溫度的降低，引發(fā)溫度梯度的增加，從而促進(jìn)凍土中水分遷移現(xiàn)象的發(fā)生。整體上看，反復(fù)凍融過程中，邊坡表層土體平均含水率會(huì)增加2%～3%，初始含水率越低，增加幅度越多。

圖13 w=18%坡面土體含水率隨凍融次數(shù)的變化

圖14 w=22%坡面土體含水率隨凍融次數(shù)的變化

4.3 凍融殘余變形量

凍融殘余變形量是凍結(jié)融化后的坡面變形量。凍脹作用破壞了土體結(jié)構(gòu)，使土體顆粒發(fā)生位移，融化后土體結(jié)構(gòu)不會(huì)完全恢復(fù)到原狀，產(chǎn)生殘余變形量。

圖15是w=18%邊坡凍融殘余變形量隨凍融次數(shù)的變化曲線。經(jīng)過6次凍融循環(huán)，邊坡凍融殘余變形基本穩(wěn)定，從坡頂(第1層)到坡腳(第5層)凍融殘余變形量分別為4.4mm、4.6mm、4.2mm、4mm、3.6mm，平均殘余變形4.16mm，若按凍結(jié)深度計(jì)算，約為凍結(jié)深度的0.052倍。邊坡凍融后殘余變形量同樣在4次凍融后趨于穩(wěn)定。

綜上所述，圍手術(shù)期急性腎衰傷是圍手術(shù)期一種常見并發(fā)癥，通過對(duì)急性腎衰傷進(jìn)行早期診斷，急性腎衰傷分級(jí)越低患者預(yù)后越好。

圖15 w=18%邊坡殘余變形量隨凍融次數(shù)的變化

圖16是w=22%邊坡凍融殘余變形量隨凍融次數(shù)的變化曲線。6次凍融循環(huán)后，邊坡凍融殘余變形量分別為5.4mm、5.5mm、5.1mm、4.6mm、4.3mm，平均殘余變形量為4.98mm，約為凍結(jié)深度的0.062倍。

圖16 w=22%邊坡殘余變形量隨凍融次數(shù)的變化

不同含水率邊坡殘余變形趨勢(shì)相似，但含水率越高，凍融殘余變形量越大。一般坡中上部殘余變形稍大于中下部。

4.4 坡面土顆粒變化特征

觀察坡面土體在凍融循環(huán)過程中的變化發(fā)現(xiàn)，粗顆粒土邊坡凍結(jié)過程中，坡體內(nèi)的水分遷移到坡面附近結(jié)冰，攜帶土顆粒析出并呈珊瑚狀突出于坡面。圖17為邊坡第1次凍脹后的珊瑚狀突出的細(xì)顆粒及3次凍融循環(huán)后的變化。隨著坡面土體中冰晶的融化，珊瑚狀突出的土顆粒不能完全恢復(fù)原狀，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)松散，密實(shí)度降低。這種現(xiàn)象在w=22%的邊坡中很明顯。坡體表面密實(shí)度越低則空隙越多，滲透性增強(qiáng)，更有利于融雪入滲，再次凍結(jié)后凍脹量隨之增加。

圖17 凍融前后土顆粒的變化

Eigenbord et al.(1996)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)含有細(xì)粒的粗顆粒土遷移水量要明顯高于純凈粗顆粒土。Gao et al.(2018)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蒸汽遷移對(duì)粗顆粒土體凍脹特性影響顯著，說明細(xì)粒含量對(duì)粗顆粒土的凍脹影響很大。青藏高原的粗顆粒土中細(xì)顆粒含量相對(duì)較高，這對(duì)土體的凍脹特性影響較大。土體空隙中的水分在凍脹過程中會(huì)推動(dòng)土顆粒移動(dòng)，而細(xì)顆粒比粗顆粒更易移動(dòng)，細(xì)顆粒多先析出呈珊瑚狀。細(xì)顆粒析出后，粗顆粒間的黏結(jié)性變差，土體空隙度增加，水分更容易進(jìn)入。水分的增加更利于凍脹，在下一次凍結(jié)時(shí)，坡面土體凍脹量將繼續(xù)增加。當(dāng)空隙增大到一定程度后，松散的土粒結(jié)構(gòu)不能維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定時(shí)，空隙不再增大，此后坡面土體凍脹量會(huì)趨于穩(wěn)定。

5 凍融-降雨綜合作用下邊坡演化

表1為w=22%的邊坡凍融循環(huán)6次后再降雨80min坡體變形后退量。由于多次凍融導(dǎo)致表層土體結(jié)構(gòu)松散，降雨過程中，坡面表層容易受雨水侵蝕，坡面被沖刷，坡體整體后退，越靠近坡頂，后退效果越明顯，最大后退量為11.57mm，平均后退量10.4mm，后退量約為凍結(jié)深度的0.13倍，但邊坡整體坡度無明顯變化。邊坡面在匯流沖刷下細(xì)顆粒和少量粗顆粒被帶走，部分粗顆粒仍殘留在坡面上，從圖18a、圖18b中可以觀察這種現(xiàn)象。

表1 再次降雨后坡面后退量

圖18 再次降雨前后坡面狀態(tài)

粗顆粒土邊坡漸進(jìn)式凍融退化現(xiàn)象在川藏交通走廊帶是常見的。 圖19為G318國道新都橋某角礫土邊坡(30.0699°N， 101.5964°E)2010年2月～2019年11月期間的演化過程。圖19a展示了邊坡近10a間坡頂面的后退現(xiàn)象。該邊坡地處匯水負(fù)地形，土體含水率高(常飽和)，左右2條小溝的坡頂面后退尤其迅速。從歷年頂面退化線圖19b來看，邊坡后退明顯。該邊坡A-A剖面如圖19c，在近10a間邊坡共后退了約5.52m，平均年后退量約0.566m。該邊坡最大凍深1.0m(朱磊， 2018)，平均年后退量約為最大凍深的0.566倍，邊坡后退量遠(yuǎn)高于試驗(yàn)結(jié)果，這與該邊坡含水率高，且年周期內(nèi)經(jīng)歷了多次的凍融-降雨-暴曬綜合作用有關(guān)。

圖19 某角礫土邊坡演化過程

6 結(jié) 論

通過試驗(yàn)研究了粗顆粒土邊坡在反復(fù)降雨-日曬-凍融條件下的演化特征，得到如下結(jié)論：

(1)粗顆粒土邊坡如果初始坡度較陡，在反復(fù)降雨-日曬循環(huán)作用下，會(huì)逐漸向某一穩(wěn)定坡度演化，表現(xiàn)為邊坡中上部土體逐漸破壞并堆積于坡腳，邊坡下部坡度一般小于邊坡中上部。

(2)對(duì)于穩(wěn)定的粗顆粒土邊坡，在反復(fù)凍融循環(huán)作用下，坡面土體凍脹融沉，產(chǎn)生殘余變形。凍脹量和殘余變形隨初始含水率增大而增大。初始含水率18%和22%的邊坡反復(fù)凍融后，凍脹量約為凍結(jié)深度的0.09～0.1倍，殘余變形量約為凍結(jié)深度的0.052～0.062倍，反復(fù)凍融后坡面土體含水率增加2%～3%。

(3)粗顆粒土邊坡反復(fù)凍融后，坡面土體結(jié)構(gòu)變松散，空隙增多，密實(shí)度降低。松散土體在降雨條件下易流失，坡體向后退化，后退量約為凍結(jié)深度的0.13倍。而高含水率邊坡在反復(fù)凍融-降雨-暴曬綜合作用下邊坡后退量可更高。

(4)季節(jié)性粗顆粒凍土邊坡自然演化特征表現(xiàn)為：自然降雨-日曬作用→邊坡趨于穩(wěn)定→凍融作用→坡面土體結(jié)構(gòu)變松散→降雨沖刷→坡面后退→更深處土體凍融。該過程隨季節(jié)變化反復(fù)進(jìn)行，邊坡逐年退化。