季節(jié)性凍土邊坡穩(wěn)定性凍融影響因素及處理辦法探究

【摘要】季節(jié)性凍土地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性問題一直是巖土工程領域的重要研究課題。文中通過對季節(jié)性凍土邊坡凍融影響因素的分析，包括氣候條件、土質(zhì)特性、水分含量、地形地貌等，探討了凍融作用對邊坡穩(wěn)定性的影響機制。同時，結合實際工程案例，提出了一系列有效的治理辦法，如保溫法、排水法、支擋結構加固法等，為季節(jié)性凍土地區(qū)的邊坡工程建設和維護提供了有價值的參考。

【關鍵詞】季節(jié)性凍土；邊坡穩(wěn)定性；凍融影響因素

【中圖分類號】TU43 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）11-0139-05

0 引言

在自然界中，季節(jié)性凍土廣泛分布于特定的地區(qū)。隨著季節(jié)的更替，這些區(qū)域的溫度不斷變化，導致土壤經(jīng)歷凍融循環(huán)的過程。而季節(jié)性凍土邊坡的穩(wěn)定性問題，一直是寒地工程領域中備受關注的重要課題。季節(jié)性凍土邊坡在凍融作用下，其穩(wěn)定性會受到諸多因素的影響。不同的土質(zhì)、地形地貌以及氣候條件等都會對季節(jié)性凍土邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不同程度的影響。了解這些影響因素，對于準確評估季節(jié)性凍土邊坡的穩(wěn)定性以及采取有效的處理辦法至關重要。鑒于此，開展季節(jié)性凍土邊坡穩(wěn)定性凍融影響因素及處理辦法研究具有重要的現(xiàn)實意義。通過深入研究凍融作用下邊坡穩(wěn)定性的變化規(guī)律，可以為工程設計和施工提供科學依據(jù)，降低因邊坡失穩(wěn)帶來的風險，保障居民生命財產(chǎn)安全和基礎設施的穩(wěn)定運行。

1 季節(jié)性凍土概述與特性

1.1 季節(jié)性凍土概述

季節(jié)性凍土是指在冬季凍結、夏季全部融化的土層。季節(jié)性凍土一般持續(xù)半月至數(shù)月，在季節(jié)性凍土地區(qū)，由于凍融循環(huán)的作用，邊坡的穩(wěn)定性會受到嚴重影響。凍融作用會導致土體的物理力學性質(zhì)發(fā)生變化，如強度降低、體積膨脹、滲透性增大等，從而增加邊坡失穩(wěn)的風險[1]。因此，深入研究季節(jié)性凍土邊坡凍融影響因素及治理辦法，對于保障工程及民生安全、減少地質(zhì)災害具有重要意義。

1.2 季節(jié)性凍土特性

1）凍脹性。季節(jié)性凍土在凍結過程中會產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象，即體積膨脹。凍脹的程度與土壤中的含水量、土質(zhì)、凍結溫度等因素有關。含水量越高、細顆粒含量越多的土壤，凍脹作用越明顯。

2）融沉性。春季氣溫升高，凍土開始融化，土壤體積會收縮，出現(xiàn)融沉現(xiàn)象。融沉程度與凍土的含冰量、土質(zhì)、融化速度等因素有關。含冰量越高的凍土，融沉作用越顯著。

3）導熱性。季節(jié)性凍土的導熱性較差，這使得土壤溫度的變化較為緩慢。在冬季，凍土可以起到保溫作用，減少土壤內(nèi)部的熱量散失；而在春季，凍土的融化速度也相對較慢。

4）滲透性。凍土在凍結狀態(tài)下的滲透性很低，水分難以在其中流動。但在融化過程中，凍土的滲透性會逐漸增加，水分的遷移速度加快。

2 季節(jié)性凍土邊坡凍融影響因素

2.1 氣候條件

1）溫度是影響季節(jié)性凍土邊坡凍融的主要因素之一。冬季氣溫越低，凍結深度越大，凍脹力也越大；夏季氣溫越高，融化深度越大，土體的強度降低也越明顯。

2）降水對季節(jié)性凍土邊坡的影響主要表現(xiàn)在兩個方面：一是增加土體的水分含量，從而加劇凍脹和融沉作用；二是在冬季形成冰雪覆蓋，起到保溫作用，減小凍結深度。

2.2 土質(zhì)特性及地質(zhì)條件

1）土體的顆粒組成對凍融作用的敏感性有很大影響。一般來說，細顆粒含量越高，凍脹性越強；粗顆粒含量越高，滲透性越好，凍脹性相對較弱。

2）土體中的礦物成分也會影響凍融作用。例如，含有蒙脫石等膨脹性礦物的土體，凍脹性較強；而含有石英等非膨脹性礦物的土體，凍脹性相對較弱。

3）土體的結構對凍融作用也有一定的影響。密實的土體凍脹性較弱，而松散的土體凍脹性較強。

4）不同的巖土體類型具有不同的物理力學性質(zhì)，如強度、變形特性等。堅硬的巖石邊坡通常比松散的土質(zhì)邊坡更穩(wěn)定。地質(zhì)構造：斷層、褶皺等地質(zhì)構造會影響邊坡的穩(wěn)定性。例如，斷層附近的邊坡容易發(fā)生滑動。地下水：地下水的存在會降低巖土體的強度，增加孔隙水壓力，從而對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

2.3 水分含量

1）土體的初始水分含量是影響凍融作用的重要因素之一。初始水分含量越高，凍脹量越大，融沉量也越大。

2）在凍融過程中，土體中的水分會發(fā)生遷移。水分向凍結鋒面遷移會加劇凍脹作用，而水分從融化區(qū)向凍結區(qū)遷移會減少融沉量[2]。

2.4 地形地貌

1）邊坡的坡度越大，土體的自重應力越大，凍融作用對邊坡穩(wěn)定性的影響也越大。

2）邊坡坡高增加會使邊坡的自重力增大，潛在的下滑力也相應增加。高邊坡更容易受到外部因素的影響，如地震、暴雨等。

3）邊坡坡向不同，接受的太陽輻射量也不同，從而影響土體的溫度分布和凍結深度。一般來說，南向坡接受的太陽輻射量較多，凍結深度較淺；北向坡接受的太陽輻射量較少，凍結深度較深。

4）坡面形態(tài)呈凸形容易受到雨水沖刷和風化作用，穩(wěn)定性較差；凹形坡面相對穩(wěn)定，因為可以減少雨水的沖刷和侵蝕。直線形坡面的穩(wěn)定性介于凸形和凹形之間。

2.5 植被覆蓋

1）不同類型的植被對凍土邊坡的影響不同。喬木的根系較深，可以增強土壤的穩(wěn)定性，但在冬季可能會因樹干中的水分凍結而對周圍土壤產(chǎn)生凍脹力。草本植物和灌木可以減少土壤侵蝕，保持土壤水分，對凍土邊坡起到一定的保護作用。

2）較高的植被覆蓋度可以減少太陽輻射對土壤的直接影響，降低土壤溫度的變化幅度，從而減緩凍融過程。植被還可以通過蒸騰作用調(diào)節(jié)土壤濕度，減少凍脹和融沉的發(fā)生。

3 季節(jié)性凍土與邊坡穩(wěn)定性的關系

3.1 冬季凍結對邊坡穩(wěn)定性的影響

1）凍脹作用。當土壤中的水分在低溫下凍結時，水變成冰的相變過程會導致體積膨脹。對于邊坡土體而言，這種體積膨脹會產(chǎn)生巨大的凍脹力。如果邊坡土體無法承受這種凍脹力，就會出現(xiàn)裂縫、隆起等變形現(xiàn)象，嚴重影響邊坡的穩(wěn)定性。例如，在含水量較高的粉質(zhì)黏土邊坡中，冬季凍結時水分相變引起的體積膨脹可能使邊坡表面出現(xiàn)明顯的裂縫，隨著凍脹力的持續(xù)作用，裂縫不斷擴展，最終可能導致邊坡失穩(wěn)[3]。在季節(jié)性凍土中，由于水分的遷移和凍結，會形成冰透鏡體。這些冰透鏡體通常在土壤顆粒間生長，進一步加劇了土體的凍脹。冰透鏡體的存在不僅增加了凍脹力，還可能改變土體的結構，使邊坡土體變得更加松散，降低其穩(wěn)定性。

2）強度變化。凍結后的土體強度會有所提高，這在一定程度上可能增強邊坡的穩(wěn)定性。然而，這種強度的增加是有限的，并且受到多種因素的影響，如土壤類型、含水量、凍結溫度等。在一些細顆粒土壤的邊坡中，冰透鏡體的形成會使土體的結構變得不穩(wěn)定，春季融化時容易出現(xiàn)滑坡等地質(zhì)災害。邊坡不同部位的土壤條件、溫度分布以及水分含量往往存在差異，這就導致了凍脹的不均勻性，使邊坡產(chǎn)生不均勻變形，從而引發(fā)應力集中。應力集中的部位更容易發(fā)生破壞，降低邊坡的整體穩(wěn)定性。例如，在邊坡的陰坡和陽坡，由于接受太陽輻射的程度不同，溫度差異較大，凍脹程度也各不相同。陰坡的凍脹作用通常比陽坡更強烈，容易在陰陽坡交界處產(chǎn)生應力集中，影響邊坡的穩(wěn)定性。

3.2 春季融化對邊坡穩(wěn)定性的影響

1）融沉作用。春季凍土融化時，土壤中的冰變成水，土體的結構會發(fā)生變化。原本在凍結狀態(tài)下較為緊密的土體變得松散，顆粒之間的連接減弱。這種變化會導致邊坡的強度降低，穩(wěn)定性變差。比如，在一些黏土邊坡中，凍土融化后土體結構變得松散，容易被雨水沖刷和侵蝕，進一步削弱了邊坡的穩(wěn)定性。凍土融化時，水分會發(fā)生遷移。如果邊坡排水不暢，融化后的水分會在土體中積聚，增加孔隙水壓力。高孔隙水壓力會降低土體的有效應力，使邊坡的抗剪強度降低，從而增加滑坡的風險[4]。

例如，在一些地勢較低的邊坡處，融化后的水分容易積聚，形成局部高孔隙水壓力區(qū)，使邊坡在春季更容易發(fā)生滑坡。與凍脹類似，融沉也具有不均勻性。邊坡不同部位的凍土融化速度和程度可能不同，這會導致融沉不均勻。融沉不均勻會使邊坡產(chǎn)生不均勻變形，引發(fā)應力集中，降低邊坡的穩(wěn)定性。例如，在邊坡的不同高度處，由于溫度和水分條件的差異，凍土的融化速度可能不同，從而導致融沉不均勻，影響邊坡的整體穩(wěn)定性。

2）水分變化。融化后的凍土會釋放出大量的水分，這些水分會在邊坡內(nèi)部形成滲流通道，增加土體的孔隙水壓力，降低土體的抗剪強度，從而影響邊坡的穩(wěn)定性。

4 季節(jié)性凍土提高邊坡穩(wěn)定性治理辦法

4.1 改善排水系統(tǒng)

1）修建地表排水設施。在邊坡頂部和坡面設置截水溝、排水溝等，將地表水及時引離邊坡區(qū)域，減少地表水滲入邊坡土體。截水溝應根據(jù)地形和匯水面積合理設計尺寸和坡度，確保能夠有效地攔截地表水。排水溝可以采用混凝土、磚石等材料砌筑，保證排水暢通。例如，在某季節(jié)性凍土邊坡治理工程中，沿邊坡頂部設置了梯形截水溝，坡面每隔一定距離設置了矩形排水溝，有效地減少了地表水對邊坡的侵蝕和滲入。

2）增設地下排水設施。安裝排水盲溝、排水孔等地下排水設施，降低邊坡土體中的地下水位，減少孔隙水壓力。排水盲溝可以采用碎石、土工布等材料制作，排水孔可以采用鋼管、塑料管等材料，根據(jù)邊坡的地質(zhì)條件和滲水情況合理布置。例如，在一些地下水豐富的季節(jié)性凍土邊坡中，設置了深層排水盲溝和排水孔，將地下水及時排出，提高了邊坡的穩(wěn)定性。

4.2 加固邊坡土體

1）土釘墻加固。土釘墻是一種常用的邊坡加固方法，適用于土質(zhì)邊坡。在季節(jié)性凍土地區(qū)，可以采用土釘墻加固邊坡，提高土體的強度和穩(wěn)定性。土釘可以采用鋼筋、鋼管等材料，通過鉆孔、注漿等方式植入邊坡土體中。然后在坡面上鋪設鋼筋網(wǎng)，噴射混凝土，形成土釘墻。例如，在某粉質(zhì)黏土季節(jié)性凍土邊坡治理工程中，采用了土釘墻加固技術，有效地提高了邊坡的穩(wěn)定性。

2）預應力錨索加固。該方法適用于巖質(zhì)邊坡或土質(zhì)較好的邊坡。通過在邊坡上鉆孔，將錨索植入巖體或土體中，然后施加預應力，使錨索與邊坡土體共同作用，提高邊坡的穩(wěn)定性。錨索可以采用鋼絞線、高強度鋼絲等材料，根據(jù)邊坡的高度、坡度等因素確定錨索的長度和間距。施加預應力時應按照設計要求進行，確保錨索的錨固效果。例如，在某巖質(zhì)季節(jié)性凍土邊坡治理工程中，采用了預應力錨索加固技術，有效地控制了邊坡的變形。

3）土工合成材料加固。土工合成材料如土工格柵、土工布等可以用于加固邊坡土體。土工格柵可以提高土體的抗拉強度，減少土體的變形；土工布可以起到過濾、排水、隔離等作用，防止土體流失。在季節(jié)性凍土地區(qū)，可以將土工合成材料鋪設在邊坡表面或埋入土體中，與土體共同作用，提高邊坡的穩(wěn)定性。例如，在某砂質(zhì)土季節(jié)性凍土邊坡治理工程中，采用了土工格柵加筋土技術，有效地提高了邊坡的穩(wěn)定性。

4）抗滑樁加固?？够瑯妒且环N插入邊坡滑體以下穩(wěn)定地層中的柱狀結構物。當邊坡發(fā)生滑動時，抗滑樁通過自身的抗彎、抗剪能力，為滑體提供抗力，阻止滑體的進一步滑動?？够瑯锻ǔＩ钊敕€(wěn)定地層一定深度，利用樁與周圍土體的摩擦力和樁端的承載力來抵抗滑體的下滑力?？够瑯兜脑O置改變了滑體的受力狀態(tài)。原本滑體的下滑力主要通過滑面?zhèn)鬟f，抗滑樁的存在使得部分下滑力轉移到樁上，從而減小了滑面處的應力，降低了滑體滑動的可能性。例如，在一個土質(zhì)邊坡中，設置抗滑樁后，滑體的下滑力被抗滑樁分擔，滑面處的土體應力減小，邊坡的穩(wěn)定性得到提高。抗滑樁不僅可以抵抗滑體的下滑力，還可以增強邊坡的整體性。樁與樁之間以及樁與周圍土體相互作用，形成一個整體的抗滑結構體系。這種整體性可以有效地分散滑體的應力，提高邊坡的抗震性能和抗變形能力。在地震等外力作用下，抗滑樁能夠更好地保持邊坡的穩(wěn)定性。

比如，在一個地震多發(fā)地區(qū)的邊坡治理中，抗滑樁的設置增強了邊坡的整體性，提高了邊坡在地震作用下的穩(wěn)定性?？够瑯犊梢杂行У乜刂七吰碌淖冃?。當邊坡出現(xiàn)微小變形時，抗滑樁能夠及時提供抗力，阻止變形的進一步發(fā)展。通過監(jiān)測抗滑樁的位移和受力情況，可以及時了解邊坡的變形趨勢，采取相應的措施進行處理。例如，在一個正在施工的邊坡工程中，通過對抗滑樁的監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)邊坡出現(xiàn)了局部變形，及時采取了加固措施，避免了更大的事故發(fā)生。

4.3 控制凍脹和融沉作用

1）在邊坡表面鋪設保溫材料，如聚苯乙烯泡沫板、玻璃棉等，可以減少冬季土壤的凍脹作用。保溫材料可以有效地阻止土壤中的熱量散失，降低土壤的凍結深度，從而減小凍脹力。保溫材料的厚度應根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件、土壤性質(zhì)等因素確定。鋪設保溫材料時應注意保證其密封性和穩(wěn)定性，防止被風吹走或損壞。例如，在某季節(jié)性凍土地區(qū)的公路邊坡治理工程中，在邊坡表面鋪設50 mm厚的聚苯乙烯泡沫板，有效地減少了凍脹對邊坡的影響。

2）在邊坡上種植植被，可以起到保溫、保水、防風固沙的作用，從而減少凍融作用對邊坡的影響。

3）對于凍脹性較強的土壤，可以采用換填非凍脹性土的方法進行治理。非凍脹性土如砂礫石、碎石等在凍結過程中體積變化較小，可以有效地減少凍脹作用。換填深度應根據(jù)當?shù)氐膬鼋Y深度和土壤性質(zhì)確定，一般不宜小于凍結深度的一半。換填后的土體應進行壓實處理，確保其穩(wěn)定性[5]。例如，在某季節(jié)性凍土地區(qū)的建筑邊坡治理工程中，將凍脹性較強的粉質(zhì)黏土換填為砂礫石，有效地提高了邊坡的穩(wěn)定性。

4）在邊坡土體中設置隔溫層，如塑料薄膜、瀝青等，可以阻止土壤中的熱量傳遞，減少凍脹和融沉作用。隔溫層可以設置在邊坡的不同深度，根據(jù)實際情況確定其位置和厚度。例如，在某季節(jié)性凍土地區(qū)的鐵路邊坡治理工程中，在邊坡土體中設置了一層塑料薄膜隔溫層，有效地減少了凍脹和融沉對邊坡的影響。

5 季節(jié)性凍土邊坡滑塌案例分析

5.1 工程概況

哈爾濱市某小區(qū)建筑邊坡為永久性邊坡，安全等級為一級。邊坡支護結構形式為坡率法，采用漿砌塊石護坡，邊坡長度約為138.64 m，邊坡高度約為11.0 m，坡角約為45°。邊坡坡頂建有兩棟住宅樓，坡腳建有兩棟住宅樓，該邊坡坡面出現(xiàn)開裂、隆起、護坡塊石擠出及滑落等破損現(xiàn)象，見圖1。

5.2 地質(zhì)情況

根據(jù)勘察設計公司出具的《巖土工程勘察報告》建筑邊坡工程所在場地的地層結構如下：

1）第1-1層：邊坡填土（Q4ml），層厚4.90～7.70 m，層頂埋深0.00～0.00 m，層底標高88.29～91.08 m。雜色，主要成分為碎石、黏性土，松散，有大孔隙發(fā)育，很濕。表面為0.1～0.2 m水泥面，多有破損，其下為0.4～0.5 m由石塊鋪設防護面，亦破損。

2）第1-2層：邊坡填土（Q4ml），層厚1.70～6.30 m，層頂埋深4.90～7.70 m，層底標高84.71～86.59 m。雜色，主要成分為黏性土，含少量碎石（不足10%），松散，有大孔隙發(fā)育，很濕～飽和，目測極易垮塌。

3）第1-3層：坡角填土（Q4ml），層厚2.50～2.70 m，層頂埋深0.00～0.00 m，層底標高82.33～82.40 m。雜色，主要成分為黏性土，伴雜建筑垃圾，松散～稍密，濕。

4）第2層：粉質(zhì)黏土（Q4al），層厚3.40～6.20 m，層頂埋深2.50～11.30 m，層底標高78.43～81.49 m。黃褐色，軟塑～可塑，含較多砂粒，局部夾透鏡狀薄層砂，干強度中等，低韌性，搖振反應無，無光澤。

5）第3層：細砂（Q4al+pl），層厚0.90～4.20 m，層頂埋深5.90～17.50 m，層底標高75.71～77.53 m。黃色，松散～稍密，飽和，間有泥格。

6）第4層：中砂（Q4al+pl），層厚2.40～8.60 m，層頂埋深7.50～20.30 m，層底標高68.18～73.69 m。黃色，稍密～中密，飽和。

7）第5層：中砂（Q4al+pl），層厚1.20～4.70 m，層頂埋深16.80～33.80 m，層底標高54.90～63.53 m?；疑忻?，飽和。

8）第5-1層 ：粉質(zhì)黏土（Q4al），層厚0.70～15.90 m，層頂埋深11.30～27.80 m，層底標高57.00～68.23 m?；疑伤?，干強度中等，中等韌性，搖振反應無，無光澤。

5.3 檢測方法及結果

檢測單位對于該建筑邊坡工程的安全性進行鑒定及計算分析：①采用激光水準儀及RTK對建筑邊坡工程尺寸進行測量；②采用鋼尺、SW-M100手持激光測距儀對建筑邊坡工程滑坡引起的地面開裂、沉降等進行測量；③采用人工開挖方法勘驗、檢測建筑邊坡工程的基礎形式。

經(jīng)現(xiàn)場勘驗，該建筑邊坡坡體為土質(zhì)填方邊坡，采用坡率法加漿砌塊石護面，未發(fā)現(xiàn)設置防滑耳墻。沿邊坡縱向近半數(shù)范圍的漿砌塊石已全部滑塌，堆積在坡底。其他范圍的護坡面層破損情況嚴重，存在開裂、隆起、塊石擠出及滑落現(xiàn)象。建筑邊坡坡面未滑塌范圍的漿砌塊石護坡面層與其下部土體處于脫離狀態(tài)，其間形成較大空隙。邊坡坡面排水未設置截水溝、排水溝、跌水與急流槽等排水設施，護坡面層滑塌區(qū)域的坡面土體存在明顯流水沖刷流失的痕跡，坡頂?shù)孛婊炷涟逑峦馏w掏蝕嚴重，坡頂土體已與坡頂?shù)孛嫘纬杉s1.2 m的高差。

5.4 計算分析

采用北京某公司研發(fā)的理正巖土邊坡穩(wěn)定分析系統(tǒng)對該建筑邊坡工程的穩(wěn)定性進行計算分析：①采用圓弧滑動法。經(jīng)計算，建筑邊坡工程滑動安全系數(shù)Fs=1.238，計算模型見圖2（a）；②采用直線滑動法。經(jīng)計算，建筑邊坡工程滑動安全系數(shù)Fs=1.571，計算模型見圖2（b）。

按不利滑動破壞考慮，該建筑邊坡工程安全系數(shù)取Fs=1.238，1.05≤Fs=1.238≤Fst=1.35，建筑邊坡工程整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

5.5 處理建議

1）由于該建筑邊坡工程高度較大且坡面回填土體被掏蝕及流失嚴重，如繼續(xù)采用單一坡率法進行邊坡支護，應同時滿足以下條件：①對坡面進行土體回填；②采用加筋材料對回填土體進行加固處理；③采用分級放坡。

2）可采用混凝土格構式錨桿加固法結合分級放坡對該建筑邊坡工程進行加固處理。

6 結語

季節(jié)性凍土地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性是一個復雜的工程問題，受到氣候條件、土質(zhì)特性、水分含量、地形地貌等多種因素的影響。凍融作用會導致土體的物理力學性質(zhì)發(fā)生變化，降低邊坡的穩(wěn)定性。為了保障工程安全，減少地質(zhì)災害，需要采取有效的治理辦法。在實際工程中，應根據(jù)具體情況選擇合適的治理辦法，并結合工程監(jiān)測和維護，確保邊坡的穩(wěn)定性。

參考文獻

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