黄土地区边坡冻融剥落病害机理及稳定性分析

许 健，郑 翔，张 辉

1. 西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2. 西安科技大学 建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054)

黄土是一种在特定环境中形成的具有特殊性质的土，黄土边坡坡面剥落破坏作为边坡破坏的一个类型较早被人们注意.对此，已经有很多研究学者开展了比较深入系统的研究[1-7].这些研究主要针对常温下黄土边坡剥落病害的类型、特征、影响因素及发育规律进行深入分析.但黄土地区多为季节冻土区，因此黄土边坡受季节冻融的影响较大，尤其在每年春季都会频繁发生冻融剥落病害.冻融对黄土体物理力学性质的破坏，已有众多学者研究.毕贵权等[8]研究了冻融循环对黄土体物理力学性质的影响规律；王铁行等[9]探究了冻融循环作用后非饱和原状黄土剪切强度参数的劣化机理；周弘等[10]通过变异性分析，研究了不同冻融循环次数后重塑黄土物理性质指标的变化规律；董晓宏等[11]研究了冻融过程中重塑黄土强度特性劣化规律；李国玉[12]对冻融后压实黄土的工程性质进行试验研究；连江波[13]和肖东辉[14]等通过试验研究了冻融循环作用对黄土孔隙比及渗透性的影响；许健[15]等以西安Q3重塑黄土为研究对象，对经受冻融作用后的黄土试样进行电镜扫描试验和直剪试验，研究了重塑黄土冻融过程中微观结构和剪切强度变化规律.上述研究多是通过开展室内冻融试验，研究黄土体的物理性质指标及强度劣化机理，相应的研究成果对进一步探究黄土的冻融特性具有指导意义.但目前关于黄土边坡冻融剥落稳定性的研究资料非常少[16-18]，尚不能准确地量化分析和预测黄土边坡冻融剥落稳定性.

因此，首先对黄土地区边坡冻融剥落病害进行现场调研，初步探讨黄土边坡冻融剥落病害的成因、类型及发育特征；然后开展室内冻融试验，进一步研究黄土体强度受冻融作用的影响规律；最后结合现场调研内容和室内试验数据，推导适合黄土边坡冻融剥落稳定性分析的计算公式并对典型黄土边坡剥落体冻融过程稳定性演化规律进行力学分析.

1 黄土边坡冻融剥落病害现场调研

为深入研究黄土地区边坡冻融剥落病害产生机理及特征，课题组分别于2012年12月份(冬季)和2013年3月份(春季)到陕北黄土地区进行现场调研.根据现场调研资料，黄土地区边坡冻融剥落病害主要可分为三类.

1.1 边坡表层冻融剥蚀

图1(a)所示为黄店复线黄土边坡表层冻融剥蚀，位于黄陵县城西侧，属黄土残垣沟壑地貌特征.病害特征表现为坡面冻融剥蚀，分析其原因主要是冬季冻结过程冻胀力破坏了边坡表层土体结构，春融季节升温融化时土体结构强度不可回复，反复冻融作用导致表皮土体强度大大弱化，最终导致边坡表层土体产生冻融剥蚀.

图1(b)为延川县城某居民区黄土边坡表层冻融剥蚀，属黄土高原沟谷地貌.病害特征表现为边坡表层大面积冻融剥蚀，冻融剥蚀程度较一般边坡严重.分析其原因，该边坡位于群众生活区，居民生活废水由坡面或管道渗入边坡土体内部而使得边坡土体含水率较大，经过反复冻融作用后表层土体产生大面积冻融剥蚀破坏.

1.2 边坡冻融层状剥落

图2(a)所示为黄陵县中立石油加油站黄土塬侧边坡冻融层状剥落，属黄土高原沟谷川道地区.病害特征表现为边坡表层冻融层状剥落.这主要是由于该边坡位于居民生活区，大量居民生活用水渗入边坡土体内部，使得边坡土体内部含水率较高.冬季冻结作用下边坡土体内部水分向表层迁移，表层土体含水率进一步增大.春季土体融化时，冰晶融水迁移到一定位置聚集，形成冰水交界面，该交界面土体强度急剧弱化.因而当边坡表面没有阻挡物且具有很好的临空面时将沿冰水界面产生冻融层状剥落病害.

图1 黄土边坡表层冻融剥蚀Fig.1 Loess slope surface erosion under freeze-thaw cycles

图2 黄土边坡冻融层状剥落Fig.2 Freeze-thaw layer spalling of loess slope

图2(b)所示为宝鸡市金陵河水泥厂区某自然边坡冻融层状剥落，属黄土高原梁峁沟谷区.病害特征为冻融层状剥落且可清晰观察到剥落面上的白色冰晶.这是由于边破土体局部区域含水率较高，冻结过程由于水分迁移作用边坡表层含水量大大增加而强度大幅度降低，春融季节沿冰水界面产生层状剥落.

图2(c)为甘泉县城某基坑开挖边坡冻融层状剥落.病害特征为边坡表层大面积冻融层状剥落，剥落程度较一般边坡严重.分析其原因，该基坑边坡亦位于居民生活区，一方面居民生活用水渗入坡体内部增大了土体含水率；另一方面，该基坑为放坡开挖，边坡开挖面较大且坡面没有防护措施，因而冬季冰雪融水及春季雨水大量渗入坡体内部，从而表层土体容重增大且强度大幅度降低，最终产生冻融层状剥落.

1.3 边坡小型冻融崩塌

图3所示为绥德县田庄镇黄土沟谷边坡冻融崩塌，病害特征为边坡小型冻融崩塌.主要原因是该边坡位于河流一级阶地，崩塌体内部本身含水率较大，由于冻融过程黄土体本身结构强度的劣化特性及水分迁移作用，边坡表层局部区域抗剪强度大大降低，从而产生小型的黄土冻融崩塌灾害.

图3 黄土边坡小型冻融崩塌Fig.3 Small freezing-thawing collapse of loess slope

2 室内冻融试验研究

2.1 试验材料

试验所用黄土土样陕西省西安市未央区某基坑内，属于Q3黄土.试验用土的基本物理指标如表1所示.

表1 试验用土基本物理指标

2.2 试样制备

将大块原状土样削成7 cm×7 cm×6 cm(长×宽×高)的小块土样.取部分小块土样称重，通过自然风干减湿或滴水增湿的方法，保证土样平均含水率分别达到16.5%、20.5%、24%、29%和32.5%；然后，将减湿或增湿后的小块土样分别放入不同的保湿缸中，保证水分均化时间大于96 h；根据《土工试验方法标准》，将水分均化的小块土样削制成直径为61.8 mm，高度为20 mm的环刀样.

2.3 试验方案

为了构造出一个不补(散)水的密闭环境，故将制备好的试样用保鲜膜包裹严密；同时将此类试样用密封袋进行密封处理以便于观察冻融对试样破坏特征；随后置于恒温试验箱内进行冻融循环试验.为了保证冻融时试样水分迁移尽量最少，因此本次冻融试验设计为封闭系统下的多向快速冻融循环试验.冻融循环具体操作过程为：低温-20 ℃条件下冻结12 h，高温+20 ℃条件下融化12 h；冻融循环次数为：0、1、3、5、7、10、20.待试验结束后，依据《土工试验方法标准》，对冻融后土样进行直剪试验，分别施加垂直压力100 kPa、200 kPa、300 kPa及400 kPa，测定出土样的粘聚力和内摩擦角.

2.4 试验结果

2.4.1 粘聚力

图4给出粘聚力随冻融次数变化规律曲线.由图可见，不同含水率下的原状黄土试样粘聚力均随冻融次数增加而逐渐减小，同时降低幅度也逐渐减小，最终维持在稳定值，整体呈指数衰减趋势.主要原因是环绕在土颗粒周围的水膜在低温下被冻结成冰，随着冰晶的生长，周围土体颗粒不断被挤压，土颗粒间联结作用失效，导致土体结构强度逐渐弱化，从而粘聚力降低.经历多次冻融循环作用后，黄土体结构强度趋于稳定的残余强度，粘聚力也趋于稳定.

图4 粘聚力与冻融次数关系曲线Fig.4 Relationship between cohesion and freezing-thawing times

图5所示为冻融过程中黄土体粘聚力随含水率变化规律曲线.从图中不难看出，含水率对粘聚力影响显著，粘聚力随含水率增加显著减小.这是因为，一方面含水率的增加增厚了土颗粒之间结合水膜，导致粘聚力降低；另一方面土体含水率越大，自由水含量就越高，冻结时冻胀力越大，土颗粒之间的粘聚力破坏效果越明显.此外，由于冻融作用导致黄土体结构强度破坏，随着冻融循环次数增加，土体强度向着稳定的冻融残余强度数值(图4)靠近，这就导致多次冻融作用后粘聚力与含水率的关系曲线走向近似一致.

图5 粘聚力与含水率关系曲线Fig.5 Relationship between cohesion and water content

2.4.2 内摩擦角

图6为内摩擦角与冻融次数关系曲线.由图可见，试样内摩擦角随着冻融次数增大而略微增大，最终增加量约1°～2°，变化量不大，这样就可以认为冻融次数对内摩擦角影响不大.究其原因，是因为影响黄土体摩擦强度的主要因素是黄土颗粒之间的接触面积及其形状，而冻融作用对上述因素没有明显影响.

图6 内摩擦角与冻融次数关系曲线Fig.6 Relationship between internal friction angle and freezing-thawing times

图7所示为内摩擦角随含水率变化规律曲线.由图可见，试样内摩擦角随含水率增加表现出相似的变化规律，都呈线性衰减的特征，但衰减幅度不大.这是由于含水率增加一定程度上降低了黄土颗粒之间的摩擦强度，导致内摩擦角有一定降低.但由前述分析，冻融作用对黄土内摩擦角无明显影响，因而内摩擦角随含水率增加其衰减幅度不大.

图7 内摩擦角与含水率关系曲线Fig.7 Relationship between internal friction angle and water content

3 冻融剥落稳定性计算分析

3.1 计算模型

根据前述黄土边坡冻融剥落现场调研情况及已有研究成果[1]，黄土边坡坡度大于60°的高陡坡受重力作用影响易产生冻融块体剥落病害，因而其计算模型可简化为基于条分法的刚体极限平衡模型，如图8所示.基本假定如下：

(1)EDC段为折线滑动面；BD、AE均为竖直线；基于土体摩尔-库伦极限平衡破坏准则，重力型块体剥落其滑动面CD与水平面的夹角β=45°+φ/2；ED面为冻融界面，与边坡坡面平行.

(2)土条间作用力忽略不计.

(3)发生剥落黄土边坡地下水位较深，暂不考虑地下水的影响.

图8 黄土边坡冻融剥落计算模型Fig.8 The calculation model of freeze-thaw spalling for loess slope

由图8，冻融深度为h=zcosα，根据图示几何关系可得以下关系式：

(1)

由式(1)可得：

(2)

(3)

三角形BCD的面积：

(4)

四边形ABDE的面积：

(5)

土条的自重为(假定纵向宽度为1)：

(6)

(7)

式中：γ为剥落体的容重，kN/m3.

下滑力为

F下滑力=W1sinα·ψ+W2sinβ

(8)

抗滑力为

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

(9)

式中:ψ=cos(α-β)-sin(α-β)tanφ；

c为冻融后滑动面DE和CD上的粘聚力；φ为冻融后滑动面DE和CD上的内摩擦角.

安全系数K最终可表示为

(10)

3.2 计算工况

冻融剥落稳定性分析主要研究冻融次数N、冻融深度h及初始含水率w对剥落体稳定性的影响，各影响因素具体水平因子见表2，共完成175个工况的计算分析.

表2 水平因子

注：“-”表示不存在该因子.

3.3 计算力学参数

黄土边坡剥落体含水率及力学参数受冻融作用的影响，本文的计算参数确定是依据前述室内冻融循环抗剪强度试验数据(图4-7)，同时参考其它类似岩土体的物理力学参数取值.基于前述现场调研结果，黄土边坡发生冻融剥落时，表层土体含水率往往较高，达到或接近饱和状态，因而计算模型中剥落体的重度γ近似按饱和重度取值，取为20 kN/m3；黄土边坡坡度为80°.不同工况的c、φ值取自前述室内冻融试验结果，具体见表3.

表3 计算参数表

3.4 计算结果分析

3.4.1 冻融次数对剥落体稳定性的影响

图9所示为冻融次数对安全系数的影响.从图中可以看出，安全系数随着冻融次数的增加而逐渐减小，但其降低幅度也逐渐减小，最终趋于稳定，整体趋势呈指数衰减.这与上述黄土体粘聚力随冻融次数的变化趋势是一致的(图10).原因是冻融过程中黄土的抗剪强度劣化特性是决定安全系数的主要因素.分析黄土室内冻融循环抗剪强度试验数据，冻融过程粘聚力随冻融次数增加呈指数衰减的趋势变化，而内摩擦角受冻融作用影响较小，这就导致冻融过程中黄土边坡剥落体安全系数与粘聚力的变化规律相似.值得注意的是，当含水率较高时(29%和32.5%)，随着冻融次数增加，安全系数K<1，边坡发生剥落破坏.

图9 安全系数随冻融次数变化规律(h=0.2 m)Fig.9 The law of safety factor varying with freezing-thawing times(h=0.2 m)

图10 粘聚力与安全系数随冻融次数变化规律曲线(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 含水率对剥落体稳定性的影响

图11所示为黄土边坡剥落体稳定性安全系数随含水率的变化规律曲线.从图中可以看出，含水率对剥落体安全系数影响显著，安全系数随剥落体初始含水率增加显著降低.这是因为粘聚力随含水量增加迅速减小(图5)，导致黄土体抗剪强度急剧降低，从而使得安全系数大大降低.此外，从图中还可以看出，冻融后安全系数与含水率的变化曲线近似重合，这与前述粘聚力随含水率的变化规律是一致的.

图11 安全系数随含水率变化规律(h=0.2 m)Fig.11 The law of safety factor varying with water content(h=0.2 m)

3.4.3 冻融深度对剥落体稳定性的影响

图12所示为黄土边坡剥落体安全系数与冻融深度变化规律曲线.由图可见，剥落体安全系数随冻融深度增加呈指数衰减趋势，逐渐趋于一个稳定数值.这主要是因为黄土边坡剥落体冻融损伤范围随着冻融深度增加而增大，从而导致黄土边坡的剥落和失稳过程加快.从图中还可以看出，随着冻融深度的不断加深，安全系数K接近或小于1，黄土边坡达到极限稳定状态，黄土边坡开始或已经发生剥落破坏.值得注意的是，含水率很高时(32.5%)，由于剥落体本身抗剪强度很低，因而安全系数随冻融深度指数变化规律不明显，安全系数K≪1，黄土边坡已发生剥落破坏.

图12 安全系数随冻融深度变化规律(N=5)Fig.12 The law of safety factor varying with freeze-thaw depth(N=5)

4 结论

(1)黄土地区边坡冻融剥落病害主要有三类：表层冻融剥蚀、冻融层状剥落及小型冻融崩塌；冻融剥落病害的主要原因是边坡土体局部区域含水量较高，由于冻融过程黄土体本身结构强度的劣化特性及水分迁移作用，边坡表层土体抗剪强度大大降低，从而产生冻融剥落病害.

(2)随着冻融次数增加，黄土试样粘聚力呈指数衰减趋势；粘聚力随含水率增加显著减小且冻融后粘聚力与含水率的关系曲线基本相同.内摩擦角随冻融次数增加略有增大但没有显著变化；内摩擦角随含水率增加呈线性衰减特征，但衰减幅度不大.

(3)随着冻融次数增加，黄土边坡安全系数也呈指数衰减趋势，这与黄土体粘聚力随冻融次数的变化规律相一致；含水率较高时，随冻融次数增加，安全系数K<1，边坡发生剥落破坏.安全系数随剥落体初始含水率增加显著降低且冻融后安全系数与含水率的变化曲线近似重合.随冻融深度增加，安全系数呈指数衰减趋势；当含水率很高时，安全系数随冻融深度指数没有明显变化，安全系数K≪1，边坡已发生剥落破坏.