基于岩土水理性的寒区路基边坡稳定性分析

王国爱 曹 君 杜耀辉

(1.定西市交通工程质量监督站，甘肃定西 743000；2.中铁七局集团路桥工程有限公司，陕西宝鸡 721000；3.兰州交通大学，甘肃兰州 730070)

0 引言

路基边坡作为道路工程的重要组成部分，其安全稳定对道路建设、桥梁修筑具有重大意义。在西部开发过程中，会出现大量的寒区路基边坡问题。我国寒区或高海拔地区，路基边坡岩土体有水、冰的存在，形成季节性冻土，会经历高温融化，低温冻结现象[1-2]。若在施工时，对寒区路基岩土的水理性质、物理力学性质研究不深或者重视程度不够，将会导致边坡失稳、岩土体大面积滑塌和泥石流等危害[3-4]。

路基边坡稳定状况受到多种因素影响，故其状态有很强的不确定性，除了边坡岩土体本身性质结构的影响，外界环境的扰动很大程度上影响了边坡的稳定状况[5]。寒区路基边坡失稳的诱发因素与常温地区有较大区别，大幅温差和高频率的相变过程，都是强烈的外界扰动，水冰相变的反复进行，对边坡的稳定状况具有较大的影响，但由于土质边坡和岩质边坡的失稳机理不同，冻结融化所造成的影响也有所不同[6-7]。在寒区，由于温度环境较常温地区特殊，路基边坡岩土体的水理性质也不尽相同，其物理力学性质会有较大的改变，边坡的稳定状况也会相应改变[8]。

因此，由于环境温度的影响，寒区路基边坡的稳定性与常温地区边坡的稳定性有很大区别，研究寒区路基边坡岩土体的水理性质，分析岩土体内部三相结构的变化，进一步分析其对路基边坡的稳定性影响，对充分认识在寒区温度变化剧烈的情况下路基边坡稳定性的变化特点，具有积极意义。

1 岩土的水理性质

岩土的水理性质是指岩土与水分的贮存和运移有关的性质，主要包括容水性、持水性、给水性、透水性。不同的地下水在岩土中存在的形式不同，进而对岩土水理性质的影响也不同。岩土的水理性质不仅会影响到岩土的强度和性状,而且还会影响到路基边坡的稳定性。

(1)容水性

岩土的容水性是指岩土容纳一定水的能力。由于岩土颗粒之间存在大量孔隙，孔隙比越大，容水量越多。岩土的容水性采用容水度表示。容水度是指岩土完全饱水时所能容纳最大水的体积(Vw)与岩土总体积(V)之比，用小数或百分数表示。一般来说其数值与孔隙度(岩溶率、裂隙率)相当，但膨胀土的容水度大于孔隙度。

容水度：

θ=Vw/V×100%或θ=Gw/G×100%

(2)持水性

岩土的持水性指岩土体依靠分子引力和毛细力，在重力作用下，其能够保持一定液态水的能力，常用持水度来表示。持水度是指受重力作用时岩土仍能保持的水的体积与岩土体积之比。持水度实际上表明岩土中结合水的含量。岩土颗粒表面面积愈大，结合水含量愈多，持水度愈大。颗粒细小的黏土，总表面积大，持水度就大，甚至可等于容水度。

(3)软化性

软化性是指岩土体在浸水后会降低岩土的力学强度的特性。软化性是评价岩石耐风化能力的主要指标，常以软化系数对其进行表示。黏性土层、页岩、泥质砂岩、泥岩等岩土体，一般都存在软化性，由于地下水的作用，在易软化地段常有软弱夹层生成，导致了岩土体的整体性和强度降低。

(4)胀缩性

胀缩性是指岩土体由于失水而收缩或吸水而膨胀的特性。岩土的胀缩性标准指标有体缩率、膨胀率、收缩系数、自由膨胀率等。岩土体由于失水，会导致颗粒的间距变小，造成土颗粒表面的结合水膜变薄，从而使得岩土体收缩。浸水后的岩土体，其颗粒距离变大，导致了结合水膜的变厚，从而造成了岩土体的膨胀。岩土体的反复膨缩变形是导致路基稳定性破坏的重要原因。

(5)崩解性

岩土的崩解性是指岩土体具有浸水而湿化的特性。岩土体内有水浸入，造成对岩土体内部的结构颗粒之间连结削弱与破坏，还会造成岩土体内部的少量胶结物溶解。其次，水分子吸附于岩土块的颗粒表面，在土块表面形成的水化膜削弱了土颗粒的连结作用，进一步造成岩土体颗粒崩散、解体。岩土体的崩解性主要与岩土体的矿物组成、颗粒成分及其结构有关。

(6)给水性

岩土的给水性指岩土中保持的水在重力作用下能够自由流出一定数量水的能力，常用给水度μ表征，指岩土给出的水量与岩土体积之比值，给水度在数值上等于容水度减去持水度。

给水度μ=V出水/V×100%

给水度的大小直接受到岩土的物理性质的影响，且与岩土的有效孔隙率(常用百分数表示)在数值上相当。给水度不仅与岩性有关，而且与颗粒级配、空隙发育程度等相联系。给水度的大小在很大程度上可以反映岩土体透水性的好坏。

(7)透水性

透水性指岩土能使水渗透、通过的性能。通常用渗透系数表示。孔隙的大小和多少决定着岩土透水性的好坏，但两者的影响并不相等，孔隙大小经常起主要作用。渗透系数的大小首先决定于孔隙的大小、形状、多少、连通程度。在孔隙大的条件下，有效孔隙度大，重力水占有较大比例，透水性好。孔隙直径愈小，有效孔隙度相应也小，结合水占有较大比例，而重力水只占很小的比例，因而透水性较差。颗粒的分选性不仅决定着岩土的孔隙大小，而且还控制着孔隙通道的孔径分布和渗透途径的曲折性。

2 寒区路基边坡稳定性影响分析与失稳类型

由于寒区环境复杂，岩土体会经历冻融循环并经历冻结和融化过程。冻融循环过程、冻结融化过程都会较大程度改变岩土体性质，从而对边坡稳定性状况产生影响。因此，温度和水对岩土体的影响主要取决于冻结融化状态。

2.1 冻融循环对边坡稳定性影响分析

在寒区，路基边坡岩土体受到冻融循环影响，冻融循环会导致岩土体强度下降，从而使边坡稳定性降低。冻融循环下影响岩土体性质的因素较多，主要包括以下几种：岩土性质、水、岩土体的孔隙率(含水率)、冻融循环次数、冻融周期(冻融频率)、温度以及融化后土体饱和度等。图1和表1为某熔结凝灰岩单次冻融循环后初始饱和度与单轴抗压强度关系[9]。

图1 某熔结凝灰岩初始饱和度与单轴抗压强度关系(单次冻融循环)[9]

表1 某熔结凝灰岩初始饱和度与单轴抗压强度关系(单次冻融循环) [9]

(1)岩土性质

岩土体性质，包括矿物成分、成分组成、结构、颗粒胶结类型等，这些属性对岩土体冻融损伤劣化程度起着重要影响。一般来说，矿物颗粒越致密，结构间胶结越强，矿物成分越稳定，则其在经历冻融循环后，损伤程度较小，反之，损伤程度较大。

(2)水

水对路基边坡岩体稳定性的影响不仅是多方面的而且是非常活跃的。由于岩土颗粒之间存在较多孔隙，其渗透性增大，降雨积存、河流冲刷及地下水位上升等水的浸入，造成对岩土体内部的结构颗粒之间黏结被破坏以及少量胶结物溶解，导致岩土体软化或崩解。其次，水分子吸附于岩土块的颗粒表面，在土体颗粒表面形成的水化膜削弱了颗粒间的连结作用，并且岩土颗粒表面面积愈大，结合水含量愈多，进一步造成岩土体强度降低，甚至崩散、解体。同时，当水位下降时，由于岩土体失水，造成颗粒间距变小，岩土体颗粒表面结合水膜变薄，岩土体产生收缩，而浸水后又产生膨胀，其反复的胀缩变形，导致路基岩土体颗粒之间黏聚力下降(见表2、图2)，造成岩土体强度降低[10]。在车辆荷载反复作用下，导致路基沉降、边坡失稳等灾害。

表2 含水量增加时土体黏聚力变化[10]

图2 含水量增加时土体黏聚力变化[10]

(3)孔隙率(含水率)

岩土体的冻融损伤劣化主要是由水冰相变造成的。干燥状态时，几乎不受冻融循环的影响，当含水率超过该临界值后，岩土体的冻融损伤明显。岩土体的冻融损伤劣化主要是因为在温度下降超过相变区间后，孔隙中的自由水发生相变，体积略微增加，从而形成膨胀力，由于岩土体的抗拉强度较低，相变过程将导致裂隙扩展。

(4)冻融循环次数和冻融循环周期

由于不同岩土体的耐久性不同，所以其受冻融次数和循环周期对本身的损伤劣化影响较大。不同岩土体，由于性质不同，其抵抗循环冻融的能力不同；而对于同种岩土体，因冻融次数的不同，其强度也各不相同。相关试验表明，冻融循环的周期越短，冻融循环次数越多，岩土体受冻融循环的影响越强烈。

(5)温度

温度的影响主要体现在对水的相变过程的影响以及在水相变化过程中的冻胀影响。冻融温度的峰值决定着冻融范围和不同范围内的冻融程度，冻融温度振幅越大，岩土体中的水冰相变越充分。岩土体作为非均质材料，各组分的热膨胀系数不同，在温度差值较大的情况下，水相变过程中，各部位产生不同程度的膨胀，导致其损伤劣化。

2.2 融化过程对边坡稳定性影响分析

寒区环境中，路基边坡岩土体要经历冻结和融化过程，相比于冻结和融化作用，水分相变过程所导致岩土体的强度变化更为显著，特别是对于土质边坡，当环境温度升高时，边坡表层冻结部分开始逐渐融化，在含水量增大、重度增大的同时，由于水的存在，降低了岩土体的黏聚力和内摩擦角，导致边坡的安全系数下降，这与边坡冻融层的融化深度密切相关。

在融化过程中，路基边坡的稳定性状况不仅与融化深度有关，融化层中的饱和层范围对稳定性也有所影响，即随着融化的进行，饱和层增大，边坡的稳定性逐渐降低。

2.3 寒区路基边坡失稳类型

寒区路基边坡失稳主要是由于水和温度耦合作用引起岩土力学参数改变，主要形式有热融滑塌、融冻泥流和冻融崩塌等。热融滑塌多见于土质边坡，表层崩塌一般以岩质边坡为主。

(1)热融滑塌

热融滑塌是冻土区特有的失稳形式，热融滑塌一般是在外界扰动情况下导致，如车辆超载等，在扰动状况下，路基边坡浅层的热平衡状态被迅速破坏。融化后的水快速富集，融化土体迅速呈饱和状态，抗剪强度急剧降低，在自重和车辆荷载作用下会沿冻结层下滑。该类型滑坡多发生于夏季融化期，具体形式见图3。

图3 热融滑塌示意图

(2)冻融崩塌

冻融崩塌多见于岩质边坡，对于岩质边坡，在存在孔隙情况下，雨水入渗冻结后体积膨胀，裂纹扩展，融化后水分进入新生成的裂隙中，在冻融循环下，边坡则会发生崩塌失稳，其失稳过程见图4。

图4 冻融崩塌示意图

(3)融冻泥流

融冻泥流主要由冰雪融化，水分沿边坡快速流动，带动边坡表层岩屑一起冲刷沟床与斜坡，随着松散岩屑越积越多，最终形成融冻泥流。

3 寒区路基边坡稳定性验算分析

采用极限平衡法对路基边坡稳定性进行验算分析。假定岩土体失稳是因为滑块沿滑动面发生滑动，并给定滑动面位置(平行于坡面)。将有滑动趋势的岩土体分隔成小条块，依据静力平衡，分析边坡在不同破坏模式下的受力状态，并可计算出稳定性系数Fs来评价边坡稳定性状况。该方法缺点在于假设岩土体为刚性体，不考虑岩土体结构本身的位移变形且对条块间的作用力进行简化和假设。

假设路基边坡饱水深度为mz(0≤m≤1)，m为浸没比(见图5)。

图5 路基边坡滑坡模型

图中W为土条自重，U为水压比，即：

W=[(1-m)γ+mγsat]bzcosα

(1)

U=γwbmzcosα

(2)

滑动面上的下滑力为：

F下滑力=Wsinα=[(1-m)γ+mγsat]bzcosαsinα

(3)

土条条底的有效作用力为：

N′=(W-U)cosα=[(1-m)γ+(γsat-γw)m]bzcos2α

(4)

F抗滑力=c′b+N′tanφ′

(5)

式中：γ为土体天然重度；γsat为饱和土重度；γw为水的重度；c′为内摩擦角。

安全系数Fs可以表示为：

(6)

由式(6)可知，安全系数Fs是融化深度z的函数，由于融化深度是时间t的函数，随着时间的推移，融化深度逐渐增大，安全系数逐渐减小，在融化深度达到最大冻结深度即z(t)=zmax，边坡最不稳定。

(7)

对于融化深度的取值，可采用温度场模拟的方式求得。故安全系数Fs为：

4 结论

基于岩土的水理性质以及寒区特殊的气候条件，分析路基边坡稳定性的影响因素，尤其是水的液固相状态(冻融循环、融化)对边坡稳定性的影响。寒区岩质边坡失稳，主要由冻融循环引起，类型以冻融崩塌为主，岩石的冻融损伤主要取决于岩石本身性质、初始孔隙率、冻融损伤次数和冻融温度峰值。寒区土质边坡主要在融化期失稳，是由于土中水的相变，含水量增大，重度增大，导致土体膨胀、软化，降低了岩土体的黏聚力、内摩擦角以及强度，其边坡的失稳类型以热融滑塌为主。通过对路基边坡稳定性验算分析，寒区边坡安全系数与融化深度和融化层饱和度密切相关。