高原季节性粗颗粒冻土边坡破坏的现场观测试验

赵梦怡，谢强，朱磊，任新红，赵文

高原季节性粗颗粒冻土边坡破坏的现场观测试验

赵梦怡1，谢强1，朱磊2，任新红1，赵文1

(1. 西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 610031；2. 成都地铁运营有限公司，四川 成都 610000)

为探求川西高原季节性粗颗粒冻土道路边坡普遍出现不同程度表层破坏的原因，选取康定新都桥附近公路边坡，采用多种测试手段，对边坡的变形、气温、地温和地下水变动等特征进行长期现场观测试验。研究结果表明：边坡土体冻融仅发生在边坡的浅表层，冻融深度大致在0.5~1.0 m之间；边坡最大变形方向与地下水流向存在明显的相关性；气候特征，特别是降雪与边坡的破坏有直接关系。在冻结融化和积雪消融条件下，试验边坡变形突增，直至在坡面表层1 m范围内产生滑塌。川西高原季节性粗颗粒冻土边坡的破坏，是表层冻融和融雪下渗的结果。

粗颗粒土；季节性冻土；边坡；破坏模式；现场试验

四川省新都桥、理塘地区地处川西高原，属高山河谷地貌，山坡坡脚多为坡洪积角砾土堆积，年气温变化大，在－30.0~35.0℃之间，是季节性粗颗粒冻土主要分布区域。对区域内国道318公路边坡调研后发现，很多粗颗粒冻土边坡出现了表层溜坍、热融滑塌等不同程度的破坏现象，严重影响交通工程的安全施工和运营。关于季节性冻土边坡的破坏模式和机理，不少学者对细粒土冻土边坡进行了研究。细粒土冻土边坡的失稳机理可概括为冻融循环导致的土体结构、力学参数的变化[1−8]。与细颗粒冻土相比，粗颗粒冻土具有颗粒粗、孔隙大等特性，不同的土体结构特征，引起负温条件下土体中水的冻结状态以及水的渗流迁移模式均不同。粗颗粒冻土边坡的破坏模式和破坏机理，是否与现阶段研究较多的细颗粒冻土边坡相同，近些年已有学者对粗颗粒冻土的岩土参数、边坡破坏模式及机理等进行了探索。李安原等[9]对影响粗颗粒土冻土特性的关键因素，土质、水分特征及温度状况等方面进行了论述。张林林等[10−11]对季节性粗颗粒冻土在冻融循环下强度衰减特性进行了研究，杨百祥[12]通过边坡调查发现粗颗粒土边坡多以浅表层土体破坏为主。赵永峰等[13]研究了季节性粗颗粒冻土边坡温度场分布及其变化规律。以上学者通过理论研究、室内试验、现场调查、数值计算等多种研究手段对粗颗粒土季节性冻土边坡的破坏现象和机理进行了探讨，本文则通过现场观测试验的方法对川西高原季节性冻土边坡的破坏现象和模式进行 研究。

1 现场边坡试验方案

为选择合适的冻土边坡进行现场试验，作者对四川新都桥和理塘区域内318国道的137处公路边坡开展野外调查工作，对冻土边坡的岩土类型及结构、边坡坡高及坡率、地下水出露情况等基本特征进行调查和统计。综合大量冻土边坡的调查结果，对季节性粗颗粒冻土边坡的基本特征形成了初步的认识：边坡物质组成中砾石土边坡最多，占边坡调查总数的63.5%，其次为碎石土和卵石土；边坡坡高及坡度分布较广，坡高主要集中在2~10 m范围内，坡度在20°~60°之间；地下水位较浅，82.24%的边坡在边坡坡脚以上存在地下水出露现象。

根据季节性粗颗粒冻土边坡特征，选择康定县新都桥镇瓦泽乡318国道CK379＋500左侧边坡作为实验观测边坡。边坡地表为坡洪积层粗颗粒角砾土，边坡坡高6.0 m，宽50.0 m，长150 m左右，自然坡度42°，地下水运移比较活跃，地表水随季节变化大，主要受大气降水控制，未见明显的构造作用。据地勘钻孔资料揭示，边坡0~17.0 m范围内均为角砾土，角砾约占50%~60%，粒径1~5 cm，10%~15%为碎石，其余为砂充填。

边坡现场试验主要包括记录边坡形态变化的过程及气象资料、边坡不同位置的变形、温度等相关参数测试。各测试孔位置布置见图1。

图1 现场监测孔位布置平面图

根据当地气象资料的研究，试验现场极端最高气温为29.4 ℃，极端最低气温为−14.1 ℃。选用NHQXZ-W-609小型气象站对现场气温进行监测，气象站工作环境温度的范围为−40~＋80 ℃，气象站测量温度范围为−50~＋80 ℃，准确度±0.1 ℃，满足现场监测要求。

为测试在变形过程中边坡内部的温度变化，确定粗颗粒冻土边坡的冻融深度，采用钻孔埋设测温元件的方法在边坡不同位置和深度处进行地温测试。现场试验边坡共布设了8个温度监测孔。温度监测孔孔径为150 mm，孔深均为4.0 m，每个监测孔布设6个测温元件，深度分别为4，3，2，1，0.5和0.2 m。测温元件采用PT100温度传感器，温度采集范围为−50~＋110 ℃，精度为±0.5 ℃。为修正元件不同线长的阻值差异对测试结果的影响，对不同线长的PT100进行了标定。

为监测现场边坡位移变化过程，在边坡不同位置布设位移监测孔，埋设测斜管进行位移测试。位移监测孔孔径为110 mm。边坡测斜孔共4个，分别位于边坡坡面后0.8，1，2以及4 m处，孔深在5.0~8.0 m之间。采用RQBF-3A型智能型测斜仪，对边坡位移进行测试，测斜仪的工作温度为−20~＋80 ℃，系统精度为≤0.1 mm/500 mm，满足现场位移监测要求。

地下水特征对边坡破坏模式有一定的影响。在现场布设四边形分布的地下水位监测孔，在高水位孔投放高浓度盐水，采用数字万用表测试其他水位孔的电阻变化，以测试地下水渗流特征。

观测试验自2016年1月开始，至2017年3月第1个周期结束，历时13个月。

2 试验测试结果及分析

2.1 温度测试结果

根据气象站以及地温监测数据，绘制试验边坡全年的气温和恒温带地温随时间的变化关系(如图2)。全年气温变化范围在−12~25 ℃之间，变化过程可分为2个阶段。2015年12月至2016年4月，每天最低气温在0 ℃以下，1月份达到全年最低气温−13 ℃，恒温带附近地温全年最低值2.5 ℃出现在3月份，滞后于气温2个月。2016年4月至2016年11月，最低气温在0 ℃以上，气温、地温随着时间呈先升高后降低趋势，且气温最高值25 ℃出现在8月，而恒温带以上地温在9月才达到最高值10 ℃，滞后于气温最高值1个月。对比地温、气温测试变化趋势可知，随着气温的升降，地表温度逐步变化，但温度的传播有一定的滞后效应，滞后1~2个月 左右。

图2 现场温度测试曲线

图3 0.2 m深度处地温随时间变化曲线

进一步分析地温测试结果，绘制8个测温孔埋深0.2 m处地温测试结果随时间的变化曲线，如图4所示。离坡面最近的测温孔位于边坡坡面，最远的离坡面12.0 m，不同测温孔全年的地温测试结果变化趋势相近。2016年1月至3月，不同位置地温均在0 ℃以下，处于冻结状态，且呈现先下降后上升的趋势，变化范围在−3~0 ℃之间；3月至11月，不同位置地温均在0 ℃以上，进入融化状态，且呈现先升高后降低的趋势，变化范围在0~14 ℃之间；11月至12月，不同位置地温回归0 ℃以下，边坡又开始冻结状态。说明距坡面不同位置的地温随气候变化规律相近，在边坡中冻结−融化过程每年交替进行。

图4 不同时间地温随深度变化曲线

再以邻近坡面的4号测温孔测试结果为例，分析地温测试值随时间和深度的变化。如图4所示，2016年1月27日地温测试结果处于最低值，地下0.2 m处地温约为−2 ℃，地下0.5 m处温度也在−0.5 ℃左右，地下1.0 m以下温度保持在0 ℃以上；随着气温的升高，表层地温测试结果也在逐渐升高，3月份仅地表0.2 m处地温还处于0 ℃以下，边坡开始进入融化期；到7月份，各深度地温测试值均在0 ℃以上；随后边坡地温开始逐渐降低，进入12月份，地表0.2 m处地温降低至0 ℃以下，边坡开始进入冻结期。图4表明，冻融过程仅发生在边坡的浅表层，冻融深度大致在0.5~1.0 m之间。

2.2 水文测试结果

各水文监测孔施工完成后，测量不同时间各个孔内地下水位变化情况。根据表1地下水埋深的监测结果可以看出，2016年2月29之后地下水水位基本上没有太大的变化，且4号水文孔测试地下水位0 m，揭示边坡坡面位置持续处于地表径流状态。根据各水文孔埋深及孔口标高可知，4号水文孔的水位高程为3 508.47 m，2号水文孔的水位高程为3 501.117 m，3号水文孔的水位高程为3 505.675 m，4号水文孔的水位高程为3 500.69 m。根据各个水文孔的水位高程确定地下水的流向，约为北偏东11°，与边坡坡向北偏西42°夹角约53°，如图5所示。

表1 地下水埋深

2.3 变形测试结果

在边坡变形测试中，为确定边坡的主要破坏方向，对测斜管和2个方向的变形值均进行了测试，叠加2个方向的测试结果即可判断边坡的变形值和方向。1号测斜管距坡面0.8 m，和测试方向分别平行和垂直边坡坡向，几何叠加测试结果后变形曲线如图6(a)所示。从变形曲线可知，边坡变形每个月均在缓慢增加，变形范围集中在地表1 m范围内，变形最大值在地表处。2016年4月14日地表变形值已达到102 mm，变形方向为北偏东8°，与坡面方向夹角为50°，与地下水流向测试结果相近。分析其原因，应是融雪下渗到边坡表层土体时，沿地下水流动方向渗流，表层土体含水量增加，从而引起表层土蠕滑流动，流动的方向与水流有关，即变形方向与地下水流方向相关。因此，边坡最大变形方向与地下水流向存在明显的相关性。

根据第1节，1号测斜孔距坡面0.8 m，2号测斜孔距坡面2 m，3号测斜孔距坡面1 m，4号测斜孔距坡面4 m。对比图6中1号~4号测斜孔深度位移曲线可知，距坡面1 m以外的2号和4号测斜孔位移曲线的最大值在10 mm以内，变形值较小；而距坡面1 m范围内的1号和3号测斜孔最终均产生了较大的表层变形，变形值在53~102 mm之间。距坡面1 m范围内外变形的巨大差异，证明边坡未产生整体的滑移现象，破坏模式为近坡面的浅表层滑塌。

图5 地下水流向示意图

(a) 1号；(b) 2号；(c) 3号；(d) 4号

2.4 降雪与边坡变化的关系

在观测试验期间，边坡所在区域从2016年2月21日开始降下大雪，边坡坡表积雪覆盖，厚度达54 cm。在此之前，1月边坡最低气温在－7℃左右，地表温度也在0 ℃以下，边坡处于冻结阶段(见图7)；降雪后，气温和地温均达到最低值，但此时测斜孔测试结果未反映明显变形情况。随后气温地温回升，表层冻结融化、积雪消融，在2月29日变形测试中，开始测到边坡的变形情况，变形区域集中在距坡面1 m范围内，地表变形值在70 mm左右，远大于距坡面1 m以外范围变形。随着气温和地表温度的持续升高，积雪逐渐消融入渗，坡面变形持续增加至102 mm，坡面已经破坏，如图8所示，积雪消融前后，1号测斜孔位置出现明显变化。但距坡面1 m以外的2号、4号测斜最大值仅在10 mm以内，只达到了距坡面0.8 m的1号测斜最大值的9.5%。由此可知，在冻结融化和积雪消融条件下，坡面表层1 m范围内产生滑塌变形，边坡的变形与降雪有直接关系。

图7 距坡面不同位置位移曲线和温度变化

(a) 积雪消融前边坡形态；(b) 积雪消融后边坡形态

2.5 综合分析

综合现场温度、地下水、变形测试以及地表观察的结果，可以分析试验边坡的变形破坏过程。

地温测试表明，在一年中，边坡表层经历了冻融循环过程。冻融循环破坏边坡表层土体的结构，使土体更加松散，强度降低，渗透性提高，更利于地表水入渗。降雪对边坡有2个方面的影响，在冬季积雪阶段，积雪覆盖层充当土坡的保温层，使边坡内部的热量不易散失，通过热传递，边坡内部0 ℃以上的土体促进冻结的边坡表层解冻；在融雪阶段，融雪水入渗，继续促进表土解冻，且表土逐渐饱和，强度进一步降低，出现表层的流动蠕滑状态，最大流滑方向与地下水流向相关。在以上因素的联合作用下，边坡变形的最终结果是表层土体分离、下滑，呈表层破坏状态。这一观察分析的结论，也得到作者同时进行的野外调查、室内模型试验和数值分析结果的支持。

3 结论

1) 现场气温以及地温测试结果表明，粗颗粒冻土边坡不同位置的地温与气候变化规律相近，但冻融仅作用在边坡的浅表层，冻融深度大致在0.5~1.0 m之间。

2) 对比分析地下水与变形测试结果发现，边坡最大变形方向为北偏东8°，地下水的流向约为北偏东11°，边坡最大变形方向与地下水流向测试结果相近，两者存在明显的相关性。

3) 现场温度、地下水以及变形测试结果表明，在冻结融化和积雪消融条件下，试验边坡变形突增，直至在坡面表层1 m范围内产生滑塌。因此，边坡的破坏与降雪有直接关系。

4) 综合上述分析，川西高原季节性粗颗粒冻土边坡的破坏是在表层冻融和融雪下渗的作用下，表层土体含水量陡增甚至达到饱和状态，土体强度急剧降低，最终导致浅表层的破坏。

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Field observation of slope failure of seasonal coarse grained frozen soil in plateau

ZHAO Mengyi1, XIE Qiang1, ZHU Lei2, REN Xinhong1, ZHAO Wen1

(1. Faculty of Geosciences and Environmental Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Chengdu Metro Operation Co., Ltd, Chengdu 610000, China)

The different surface failure haves occurred currently in the road slope of the seasonal coarse-grained frozen soil in the Western Sichuan Plateau. To explore its causes, long-term field observation was conducted on the characteristics of deformation, air temperature, ground temperature and groundwater change of the road slopes near Xinduqiao in Kangding County by a variety of testing methods. The results show that the freezing-thawing of the slope soil occurs only in the shallow surface of the slope, and the freeze-thaw depth is about 0.5~1.0 m. There is obvious correlation between the maximum deformation direction of slope and groundwater flow direction. Climatic features, especially snowfall, are directly related to slope damages. Under the conditions of freezing-thawing and snow melting, the deformations of the slope were suddenly increased until the collapse occurred in the range of 1m from the surface of the slope, which indicated that the destruction of coarse grained soil slopes in seasonal frozen region of Western Sichuan Plateau was the result of the surface freezing-thawing and snowmelt infiltration.

coarse grained soil; seasonal frozen soil; slope; failure modes; field test

U213.1+3

A

1672 − 7029(2019)07− 1666 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.07.009

2018−10−16

中国铁路总公司科技研究开发计划课题资助项目(2017G008-F)

谢强(1957– )，男，四川荣县人，教授，从事岩体工程与特殊岩土工程研究；E−mail：civil1301@swjtu.edu.cn

(编辑 涂鹏)