湿-热-力作用下软岩边坡破坏机理及其稳定性研究进展与展望

付宏渊，曹硕鹏，张华麟，曾铃，史振宁

(1.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙，410114；2.长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙，410114)

工程地质学定义饱和单轴抗压强度小于15 MPa的岩石为软岩，此类岩石大多富含高岭石、蒙脱石等黏土矿物，具有强亲水性和膨胀性，在水环境、温度变化与开挖卸荷等湿-热-力作用下极易发生强度软化与胀缩变形。大量工程实践表明，软岩边坡在湿-热-力作用下极易发生失稳破坏，造成财产损失和人员伤亡(见表1[1-7])。为确保工程建设与人民生命财产安全，亟需开展湿-热-力作用下软岩边坡的破坏机理与稳定性研究。研究者们采取理论分析、室内试验、数值模拟等手段开展了一系列研究并取得了一定进展，但同时也存在一些问题需要深入探究，如：

表1 软岩边坡现状及失稳问题[1-7]Table 1 Current situations and instabilities of soft rock slope[1-7]

1)湿-热-力作用下软岩的微观结构演化规律及其崩解机理、影响因素；

2)软岩的强度劣化规律及影响因素；

3)可分析湿-热-力条件下软岩边坡稳定性分析模型试验并开发数值模拟分析方法等。本文主要对湿、热、力等因素作用下软岩崩解、强度劣化以及边坡稳定性方面的现有研究成果进行总结，探讨湿-热-力耦合作用下软岩边坡破坏机理与稳定性研究的重点、难点问题，并对其未来发展方向进行展望。

1 软岩崩解特性与机理

软岩边坡岩体在干湿循环、内外荷载、冷热交替等复杂环境作用下易发生由表及里的膨胀崩解，诱发边坡变形丧失整体结构性直至失稳破坏。在软岩宏观、微观尺度崩解特性研究方面，目前主要体现以下2个方面：

1)基于湿、热、力多因素作用下，软岩的崩解规律特点，尝试根据试验规律建立多因素影响下软岩崩解过程的粒径分布模型；

2)从微观尺度出发，探究软岩的崩解机理，例如借助扫描电镜、CT 扫描等现代技术手段，分析崩解过程中软岩表面的微观结构变化和内部裂隙扩展规律。

1.1 软岩崩解破坏规律

强崩解性是软岩区别于其他岩石的主要特征之一，软岩崩解状态是边坡岩体强度与变形特性的决定性因素。大量工程实践与研究表明，由降雨、地下水等引起的干湿循环是造成软岩崩解的最主要因素之一[8-11]。

许多学者大量研究干湿循环对软岩崩解特性，发现软岩崩解特性的核心问题是明确软岩崩解颗粒粒径分布在崩解过程中随崩解次数的变化规律。软岩在干湿循环下的崩解并非线性过程，而是随着循环次数增加呈现先快后慢的趋势，这2个阶段之间存在干湿循环临界次数。例如，曹雪山等[12]通过自然约束崩解试验发现前7次红层泥岩裂隙、颗粒组分及基本力学参数变化显著，由此认为红层泥岩干湿循环的临界次数为7 次。ZHANG 等[13]也通过类似试验测试了干湿循环作用下紫红泥岩的粒度分布，推测5次为泥岩干湿循环临界次数，同时定义了崩解指数来定量评估泥岩崩解特性(见式(1))。

式中：DNR为崩解指数；AT为粒径分布总面积；ANC为N次干湿循环后，泥岩粒径分布曲线下的区域面积。

为深入探究外部应力状态对泥岩崩解过程的影响，使试验条件更符合边坡软岩的真实崩解状态，付宏渊等[14-15]在干湿循环条件下引入外部和内在条件，设计一种可控制应力状态的崩解装置，发现荷载作用下的炭质泥岩崩解具有明显的分形特征，荷载增大，分形维数相应增加，且分形维数与干湿循环次数呈现对数函数关系(见图1)。可见，炭质泥岩在相同条件下荷载越大，崩解程度越高，故对高路堤和高边坡工程更需要充分考虑软岩崩解效应。

图1 不同荷载作用下炭质泥岩分形维数随干湿循环的变化曲线[14]Fig.1 Variation curve of fractal dimension of carbonaceous mudstone with dry-wet cycle under different loads[14]

我国西南部分地区昼夜温差大，产生的昼夜冻融循环现象更易使软岩边坡发生崩解破坏。梁冰等[16]通过试验证明冻融循环作用下泥质岩的崩解周期大幅缩短，同等循环周期条件下冻融组的泥质岩颗粒粒径明显小于干湿组的颗粒粒径(图2)。ZHANG 等[17]考虑了湿-热耦合共同作用下紫红泥岩的崩解特征，得到5 种水-热条件作用下泥岩崩解速率随循环次数的关系(见图3)，拟合相关系数均大于0.99(见表2)，其中，累计崩解率表示为2 mm以下颗粒崩解率。

图2 冻融与干湿循环作用下泥岩崩解现象[16]Fig.2 Mudstone disintegration under freeze-thaw conditions and dry-wet cycle[16]

图3 5种水热作用下泥岩崩解速率与循环次数的关系[17]Fig.3 Relationship between disintegration rate and number of cycles of mudstone under five hydrothermal processes[17]

表2 5种水热循环作用下泥岩崩解的回归模型Table 2 Regression models of mudstone disintegration under five hydrothermal cycles

除崩解性之外，泥岩膨胀性也是研究者们所关注的特性。孙怡等[18]提出一种可模拟泥质岩在干湿循环作用下体积变化规律的类Kelvin 膨胀收缩模型，认为泥岩体积变形量与干湿循环次数呈正比，在整个崩解过程中，体积膨胀率与收缩率随干湿循环次数逐渐增加，变形稳定时间取决于试样内部裂隙扩展情况。

1.2 软岩崩解微观机理

水-岩相互作用是引起软岩崩解的原因之一，其崩解机理主要是软岩内部黏土矿物与水发生反应促进了裂隙、孔隙的形成与扩展。

在软岩崩解的微观机理方面，当前大多从定性角度出发，分析软岩黏土矿物亲水性与软岩崩解性的关系。内部裂隙对水的吸附作用产生的楔裂压力以及亲水性黏土矿物与水反应产生的膨胀应力共同导致软岩崩解破坏。采用定性分析方法虽能探究多种因素对软岩崩解性的影响，但不能定量表征各因素对软岩崩解影响程度。

近年来，针对有关因素对软岩崩解影响程度的定量研究也在逐步开展，如：唐骁宇等[19]基于灰色关联度理论对软岩崩解机理进行了研究，量化分析结果表明，相比于岩块体积、环境温度等因素，干湿循环次数对于软岩崩解性的影响程度最大，干湿循环过程中岩体含水率变化是导致岩体胀缩崩解的主要原因。随着试验技术的发展，越来越多高新技术手段被用于软岩崩解研究。邓仕骐等[20]利用扫描电镜观察软岩的微观结构，并定义颗粒球度和圆度等参数定量表征红层细碎屑岩的微观结构变化，认为红层细碎屑岩遇水崩解的微观机理是流体冲刷使岩体内填隙物脱落、岩石表面孔隙增大，矿物颗粒黏结力随之下降，最终导致岩石崩解。通过扫描电镜仅能观察到岩体表面变化，无法获取内部裂隙的变化情况。为探究干湿循环过程中软岩内部裂隙扩展过程，解释崩解机理，杨成祥等[21]通过CT扫描实时观察水-岩作用过程中泥岩内部结构的动态演化过程，认为泥岩遇水软化过程分为3个阶段：原始裂隙形成、水分通过裂隙入侵至岩体内部以及宏观崩解破碎(图4)。

图4 泥岩遇水软化机理[21]Fig.4 Water-weakening mechanism in mudrock[21]

为进一步从矿物类型与含量角度揭示干湿循环条件下软岩崩解机理，LIU等[22]同时利用扫描电镜和XRD 分析了页岩干湿前后的微观结构(见图5)，发现页岩的崩解程度与其内部亲水矿物质量分数呈正比，岩体内部颗粒在干湿作用下会膨胀导致应力分布不均和孔隙生长，从而破坏岩体内部结构，致使岩体软化崩解。此外，还有一些研究者从其他角度探讨了软岩崩解机理，如EMBABY等[23]认为页岩遇水崩解是孔隙-空气压缩以及石膏和盐岩矿物的溶解破坏了页岩的微观结构。潘艺等[24]也对此持有类似看法，认为岩样内部孔裂隙中空气受水的挤压产生超张应力，导致内部孔隙扩容，进一步加剧软岩崩解。

图5 2 000倍电镜下饱水页岩的微观结构变化[22]Fig.5 Microstructure changes of water-saturated shale using the SEM(×2 000)[22]

近年来的一些研究表明，温度变化也会进一步加剧软岩的崩解，并且其内在机理与干湿循环所导致的崩解有所不同，温度变化会改变软岩的微观结构，加快裂隙的扩张。牛传星等[25-26]从温度周期循环角度研究了蚀变岩强度劣化的微观机理，发现温度对干燥软岩的影响主要体现在对晶格构造的破坏上，热胀冷缩现象所引起的晶格以及内部裂隙的扩展贯通加剧了岩石损伤。对于含水软岩的温变过程主要体现为冻融循环现象，该过程对岩石强度的影响更加剧烈。为探究其影响机理，ZHANG 等[27]借助CT 扫描探讨了应力状态、围压和冻结温度对砂岩力学性能的影响，建立了冻结砂岩在单轴压缩条件下的损伤本构模型；此外，JIANG 等[28-29]通过CT 扫描试验得到冻融循环条件下岩石孔隙率增加以及裂纹的快速扩展是导致岩石损伤的关键因素。

外界应力状态改变也对软岩的崩解有影响，软岩受到外力被挤压，岩体内部孔隙被压密，岩体表面产生裂隙，对软岩崩解存在促进或抑制作用。

对于外力作用促使软岩崩解的机理研究，一些研究者通过对不同围压作用下加载前后的煤岩进行CT扫描，发现在没有围压时，新生裂隙扩展并生成次生裂隙；有围压作用时，新生裂隙沿着节理方向发展，且随围压增加，节理方向裂隙的扩展受到一定的抑制。二维平面裂隙如图6所示[30]。王宇等[31]进行了三轴破坏后的节理软岩干湿崩解试验，发现压缩破坏后的节理软岩崩解速度远比完整原岩的大。CT 扫描结果证实，软岩受荷破坏后微裂纹数量和长度均有所增加，对软岩后续崩解有显著促进作用。

图6 二维平面内原始裂隙和破裂主裂隙[30]Fig.6 Original cracks and main cracks of failure in 2D[30]

曾铃等[32-33]基于三轴CT 试验探究了炭质泥岩的崩解机理，发现试验前试样具有较多细小孔洞及裂纹，密度存在较大差异性；随着试验的进行，局部颗粒受挤压，密度差异性减小；在外界应力或围压作用下，软岩局部颗粒会相互挤压融合，导致颗粒间孔隙变小，试样的损伤程度减小。由此可见，在一定条件下，外力作用可能抑制软岩的初期微裂隙生成，也很有可能促进软岩崩解。这种影响的正负性与软岩所受的应力历史和加载路径有着紧密联系。

从上述研究可以看出，导致软岩崩解的主要原因有以下2个方面：1)内部因素，软岩主要由大量黏土矿物组成，具有初始微裂隙分布广泛的结构特征；2)外界因素，自然环境中湿、热、力等因素与软岩相互作用会进一步导致其原有裂隙扩张，最终发生崩解破坏。虽然人们对软岩的主要崩解机理进行了阐述，但当前研究成果中仍然存在一些问题有待解决，如软岩的种类较多，成分组成并不一致，并且其初始裂隙分布和外界环境变化极难进行定量分析，导致其崩解规律难以预测，外力作用的历史和路径对微裂隙扩展影响的正负性等不确定。这也是软岩崩解机理研究需要深入讨论的关键问题。

2 软岩强度劣化规律

自然界中软岩边坡所处环境复杂，在降雨、温度变化以及人工开挖、卸荷等因素影响下，岩体节理、裂隙进一步扩展，致使边坡强度劣化逐渐变形失稳。现有对软岩强度劣化规律的研究可分为以下3个方面：1)开展单轴压缩试验，以软化系数定量表征软岩强度劣化规律；2)开展软岩抗剪强度试验，通过开展湿、热、力条件下的三轴、直剪等试验分析黏聚力、内摩擦角等强度指标的劣化规律；3)从软岩的变形特性角度出发，揭示软岩强度劣化机理。

2.1 软化系数

大量研究表明，岩石的软化系数与其饱和含水率密切相关[34-35]，针对这两者的相关性，王秀海等[36]对煌斑岩开展浸水强度试验，发现随着饱和度ωsat增加，煌斑岩的软化系数Kp近似呈线性减小(式(2))。并同时从微观上分析了遇水软化机理，认为此类岩石中矿物成分具有较强亲水性，水与矿物间的物理化学作用导致岩石抗压强度降低。

在进行软化系数测试时，一般将试样浸水48 h后开展单轴试验。但对于软岩而言，当浸水时间超过48 h 时，软化系数仍呈现下降趋势(见图7)。可见软岩的软化系数会随着浸水时间的增加而降低，水与软岩间的相互作用具有明显的时效性[37]。BIAN 等[38]针对页岩开展的长期浸水软化试验也证明了这一点(见图8)，并提出了考虑水和单轴荷载共同作用的岩石损伤模型。

图7 泥岩浸泡时间与软化系数关系[37]Fig.7 Relationship between soak period of mudstone and softening coefficient[37]

图8 单轴抗压强度σc随浸泡时间t的演变[38]Fig.8 Uniaxial compressive strength σc changes with immersion time[38]

不同类型软岩的矿物成分、胶结类型等存在差异，其浸水软化规律也有所不同。熊徳国等[39]研究了砂岩、砂质泥岩和泥岩饱水后强度与变形的特点，发现泥岩的变化最显著，其次是砂质泥岩和砂岩，但他们并没有指出其内在机理。为揭示上述现象的内在机制，周阳等[40]以千枚岩为例探讨了不同片理角度千枚岩的软化机理，发现当片理角度从0°到90°变化时，抗压强度呈现先减小后增大的趋势(见图9)。当片理角度为30°时，千枚岩软化系数最小，对水最敏感。该试验直接证明了软岩的浸水软化程度也与其内部结构密切相关。

图9 抗压强度随片理角度的变化关系[40]Fig.9 Relationship between compressive strength and angle of lamination[40]

ZHANG 等[41]通过试验发现高温会使砂岩孔隙率上升，峰值强度迅速下降，且于500～550 ℃达到最低值。赵怡晴等[42]通过热处理方式从微观和宏观的角度探讨了砂岩的力学性质，认为在450 ℃以下，软岩强度随温度升高而降低，在450～600 ℃时强度出现一定增长，而当温度超过600 ℃时强度重新开始降低。这与苏承东等[43]提出的“600 ℃以内时温度对试样的强度具有强化作用，超过600 ℃时试样强度开始弱化”表现出相似的规律性。

上述研究大多考虑湿、热等单一因素，但自然界边坡通常面临温、湿的共同作用，为进一步探究温度、湿度共同作用下的软岩力学性能变化，付宏渊等[44-45]开展了粉砂质泥岩在变温湿环境下的单轴压缩试验，结果表明温、湿共同作用下泥岩强度的下降幅度大于单一因素的作用效果，且下降幅度与温差ΔT呈正相关(图10[44-45])。

图10 不同变水温循环的粉砂质泥岩单轴力学指标(浸水10 d)[44-45]Fig.10 Uniaxial mechanical properties of silty mudstone in different water temperature cycles(soaked 10 d)[44-45]

2.2 抗剪强度

湿-热-力作用下软岩抗剪强度下降是导致边坡失稳的最直接原因。软岩的抗剪强度主要由黏聚力和内摩擦角表征，当前学者们对这2种关键指标在湿度、温度和力影响下的变化研究较多，取得了许多成果。在蚀变岩抗剪强度方面，冯佰研等[46]探讨了饱水-失水循环对蚀变岩强度的影响规律，得到内摩擦角随循环次数增加而呈指数减小，黏聚力随循环次数增加而呈二次多项式降低的趋势(图11)。对于红层泥岩而言，邓华锋等[47]认为黏聚力、内摩擦角均与含水率呈负相关，且黏聚力对含水状态更敏感。但根据汤传金等[48]的研究可知：虽然同属软岩，砂质泥岩在干燥-饱和循环作用下的劣化规律则有所不同；随着循环次数增加，砂质泥岩的黏聚力呈指数下降，而内摩擦角则呈先增加后减少的变化趋势(见图12)。可见不同类型软岩的抗剪强度在干湿循环条件下总体上呈逐渐下降的趋势，但局部变化也存在较大差异。

温度对软岩抗剪强度的影响主要体现在低温冰冻所导致的强度变化。奚家米等[49]发现砂质泥岩在冰冻作用下，其内部特有的大量裂隙水和孔隙水会凝结成冰，与此同时，温度降低导致岩石颗粒体积收缩，颗粒之间排列紧密，从而软岩强度增大，黏聚力与内摩擦角随温度降低均有所提高[50]。虽然在单向降温过程中岩体强度有增大趋势，但大部分季冻地区软岩边坡往往会受到周期性的低温冰冻影响，在冻融循环反复作用下，岩体抗剪强度比非冻融气候区的低。宋勇军等[51]发现冻融循环作用下岩体孔隙率有显著变化，孔隙、裂隙逐渐萌生、扩展，峰值强度、弹性模量均随冻融次数增加呈“下凹式”指数减小。

2.3 变形特性

软岩边坡失稳不仅与强度有关，而且与软岩自身变形特性有关。在变形特性参数中，弹性模量和泊松比是最关键的2 个指标。有学者采用这2个指标的比值作为评价页岩变形特性的关键指标，取得了很好效果[52]。RICKMAN 等[53]则提出将页岩的弹性模量和泊松比这2个力学参数进行归一化处理，该方法能定量判定各因素对于软岩变形特性的影响程度，逐渐成为评价软岩变形特性的普遍方法。马林建等[54]基于上述2个力学指标探究了加-卸循环荷载作用下软岩的变形特性，认为循环荷载作用下盐岩弹性模量随循环次数、加载时间呈指数型衰减趋势，低应力加卸载作用会使岩体内部颗粒压密，高应力作用会使岩体内部微裂隙不断扩展导致强度劣化。李启龙等[55]在砂岩加-卸循环荷载过程中同时设置了不同的围压，发现砂岩动弹性模量与围压呈正比，低围压对于泊松比效果不明显，而高围压下的泊松比远比低围压下的大，循环次数对其影响可以忽略。循环加卸载会使砂岩内部裂纹扩展，发生塑性变形，而围压具有抵抗岩石变形的效应。

湿度和温度对于软岩变形特性的影响也非常显著。周其健等[56]在不同温度下进行岩石浸泡试验，发现随浸泡时间增加，不同温度下的盐岩弹性模量下降趋势明显(见图13)。CHEN 等[57]研究了砂岩的动态破坏模式，发现随温度和冲击荷载增加，砂岩破碎程度增大，水分损失、热膨胀、有机材料分解产生的热解气体和热应力是导致软岩变形的主要原因。YIN等[58]认为软岩在不同温度下弹性模量下降的主控因素不同，100 ℃以下软岩变形的主要原因是孔隙中自由水蒸发导致裂纹扩展，超过100 ℃时颗粒膨胀变形产生的热应力则开始对变形起主导作用。该研究对不同温度条件下的软岩变形特性进行了分类解释，揭示了温度对软岩变形特性的作用机理。

综上所述，目前研究者大都是基于单轴压缩、三轴剪切等力学试验开展湿度、温度和力等因素对软岩强度劣化的影响。虽然上述研究在实验室中已取得较多成果，但受试验条件的影响，已有成果多为单因素控制，并且很多数据存在一定的离散型。需进一步改进试验方法，在尽可能减少初始扰动的前提下开展多因素耦合试验，使所得结果够具有更大参考价值，更好指导工程实践。

3 湿-热-力作用下软岩边坡稳定性分析方法

对于软岩边坡而言，在长期降雨、温度变化以及人工开挖等外力作用下，原有节理不断发育扩展，整体强度逐渐下降，最终发生失稳破坏。目前，多因素作用下软岩边坡的稳定性分析方法已成为工程界重点关注的方法。现有研究大多从以下方面开展：1)设计室内模型试验，利用离心机、模拟降雨装置等分析得到软岩边坡在多因素作用下的灾变演化规律；2)借助数值分析方法建立边坡数值计算模型，模拟软岩边坡在湿度、温度和力等复杂因素作用下的变形以及失稳特性。

3.1 室内模型试验

从20世纪60年代至今，边坡模型试验从室内模型槽、足尺模型试验发展至现今的离心模型试验[59]。室内缩尺模型试验具有方便观察、易于加装多种测试装置以及成本低等特点，是目前研究降雨作用下软岩边坡渗流与稳定性的有效方法。曾铃等[60-61]采用缩尺模型箱(图14)模拟降雨入渗条件下炭质泥岩填方边坡的渗流与变形特性，发现降雨会引起软岩填筑路堤表面形成暂态饱和区，且于路堤内部逐步向下扩散，引起地下水位升高，最终导致软岩路堤边坡变形失稳。该缩尺模型配备有降雨控制系统、地下水位控制系统，可对不同降雨状况以及地下水位升降工况进行模拟分析，在数据监测方面还配置含水率测试仪、吸力计、土压力计以及坡顶位移测试仪，可满足多种工况的测试需求。

刘广宁等[62]基于相似原理和量纲分析方法制取相似材料用于模拟强风化软岩边坡，开展室内降雨模型试验，按相似比合理缩放原型边坡尺寸，在提升试验效率的同时满足工程实际条件。该模型降雨装置采用PE 塑料管输水系统，并配备了位移计、含水率传感器、土压力传感器分别实时监测坡表位移、含水率、土压力，能精确控制降雨强度，结果表明强暴雨条件下坡体相比间接性降雨产生更大程度的失稳破坏，认为裂缝中累积雨水产生水压力与渗透作用导致边坡稳定性下降。

除了降雨条件下边坡岩体力学参数显著变化外，强荷载作用下边坡动力失稳效应尤为剧烈。在室内模型试验中，振动台试验可以较好模拟边坡在地震荷载作用下的响应状况，FENG 等[63-64]基于室内振动台模型试验考虑了不同的动态参数包括波形、振幅和频率对动态响应的影响，分析了不同类型外部荷载作用下边坡的动力响应特性。该模型边坡采用高精度激光位移传感器测量边坡表面位移，在坡体内部设置了加速度传感器，可通过调整加速度、输入频率进行加载，研究成果对软岩边坡抗震设计提供理论和实践意义。

除上述室内静态模型试验、振动台模型试验外，离心模型试验也是一种研究软岩边坡长期稳定性的有效方法。EDOUARD PHILLIPS等于19世纪利用离心模型试验研究了边坡的倾倒破坏，提出的离心模型试验可以使边坡的应力分布更接近真实状态，并再现边坡失稳过程，在此之后大量边坡离心试验得以开展[65-66]。DAVIES 等[67]开展了离心模型试验以模拟温度升高对冻结岩质边坡稳定性的影响，采用与边坡预测斜率相同的简化几何形状的平面应变模型，该模型采用热电偶监测斜坡中心处的温度，用电压位移变压器监测斜坡中心的位移，结果表明：低温时，已冻结边坡相比未冻结边坡的安全系数更高；当温度升高时，冻结边坡的安全系数逐渐降低。可见在冻融过程中，升温融化过程更不利于边坡的稳定。巨能攀等[68]以“5.12”汶川地震边坡失稳破坏为实例，通过离心振动台试验模拟强震作用下软岩边坡变形失稳效应，该离心振动台模型能够模拟原型的应力条件，采用多层铝合金框架堆叠形式以模拟不同地震侧边界条件，减小边界效应的影响，发现动荷载作用下软岩表现为快速的塑性变形和累进式剪切破坏，造成拉剪强度降低，引起边坡失稳破坏。此外，鞠兴华等[69-70]针对泥质软岩、红层软岩边坡的工程特性，通过离心模型试验模拟了边坡滑坡变形的整个过程，分析了降雨条件下不同软岩路堤形式长期稳定性，并提出了包边防渗、化学改良、填筑前预先崩解等有效控制边坡失稳的方法。

3.2 数值模拟分析

在边坡稳定性分析方面，数值模拟具有高效、直观、可同时考虑多种因素等优点，克服了在研究多因素影响问题时模型试验难以精确控制条件的缺陷，并可以真正实现耦合过程，已经成为分析软岩边坡稳定性问题不可缺少的工具。目前，软岩湿-热-力耦合过程数值计算研究大多基于多孔连续介质理论[71-72]，湿-热-力耦合条件下孔隙介质体孔隙压力的改变主要是温度引起的固体骨架和水的热膨胀变形量不同而引起的[73]。从该理论出发，蒋中明等[74]借助FLAC3D软件，考虑温度升高引起的孔隙水黏滞性对渗透系数的影响，认为各向异性数值结果能客观反映黏土岩的热-水-力耦合效应。该模型主要考虑温度变化对应力和孔隙压力的影响，忽略应力和孔隙压力变化对温度的影响。耦合模型(见图15)，孔隙压力增量见式(3)。

式中：M为比奥模量，Pa；ɑ为比奥系数；β为材料的不排水体积热膨胀系数，℃-1；Sr为饱和度；n为孔隙率；p为孔隙压力；ε为体积应变；t为时间，s；ξ为单位流体体积改变量。

蒋中明等[75]还提出了孔隙率随应力改变和孔隙水黏滞性随温度改变的渗透非线性分析方法，进一步研究了温度荷载作用下应力边界条件和位移边界条件对模型内部温度应力的影响，表明在温度荷载共同作用下，应力边界计算所得孔隙压力及应力比位移边界所得值小，这与实际情况更契合。ZHANG 等[76-77]基于有限元方法，建立了一种岩体双孔介质的热-水-力耦合模型，研究了岩体的温度、负孔隙水压力、饱和度、流速和主应力的变化规律。孔隙水压力变化规律如图16所示，应力耦合方程见式(4)。

图16 岩体孔隙水压力变化规律[76-77]Fig.16 Regularity of pore water pressure variation in rock mass[76-77]

式中：σ和ε分别为总应力和总应变；D=(C1+C2)-1，为弹性矩阵；mT=[1 1 0]，为单位矩阵；Ks，βs和T分别为体积模量、热膨胀系数和温度；sw1，pw1，Ds1和C1分别为饱和度、水压力、含水率、岩质和断裂网络矩阵；sw2，pw2，Ds2和C2分别为饱和度、水压力、含水率以及考虑裂隙网络的柔度矩阵；下标数字代表裂隙带序号。

在降雨导致软岩边坡失稳方面，也有许多学者通过数值模拟开展了深入研究。如XU等[78]基于Geo-Studio 软岩的SEEP 模块建立简化的数值斜坡模型，对泥岩夹层的透水性展开了研究，并且考虑了基质吸力对边坡稳定性和滑移面的影响。曾铃等[79-80]应用Geo-Studio 研究了降雨入渗过程中炭质泥岩路堤边坡稳定性的变化规律，指出炭质泥岩路堤边坡稳定性在地下水位高于坡脚之前先降低后升高，超过坡脚之后降低，停止降雨后稳定性系数逐步恢复。

软岩边坡在高温或者低温冻融条件下易发生失稳破坏。从数值模拟角度出发，刘泉声等[81]运用FLAC3D软件建立了单裂隙冻胀热-力模型(如图17所示)，分析冻胀作用下岩体裂隙应力场的分布规律。陈卫忠等[82]通过ABAQUS 软件建立了黏土岩热-水-力耦合蠕变模型，认为温度升高会加大黏土岩的蠕变速率，该模型在Perzyna 过应力理论基础上引入了蠕变硬化、蠕变损伤及热损伤方程以描述黏土岩的蠕变特性，模型参数见式(5)。

图17 单裂隙冻胀热-力耦合模型[81]Fig.17 Coupled freezing thermo-mechanical model with a single fracture[81]

式中：εvc为蠕变体应变；cch为模型参数；Dc为蠕变损伤；DcT为热损伤；hcT为蠕变硬化变量；ɑc，kc和ph均为模型参数，与蠕变硬化、蠕变损伤及热损失有关。

上述研究总结了国内外学者关于多场耦合作用下软岩边坡稳定性分析方法，通过模型试验模拟不同外界因素作用下软岩边坡的变形破坏过程。除此之外，还有部分学者借助数值计算方法分析了边坡在复杂环境的失稳演化特征，并与模型试验的结果拟合对比，为边坡失稳防控措施提供了理论依据。虽然软岩边坡在湿度、温度和力影响下的稳定性研究已经得到众多学者的关注，但如何准确设定模型试验和数值模拟的初始条件仍有待深入探讨。

4 讨论与展望

1)软岩自身矿物成分中存在大量膨胀性黏土矿物，且原生岩体内部含有大量微裂隙孔隙。外界环境变化所引起的干湿循环、冻融以及应力状态变化诱发黏土矿物的膨胀与收缩，进一步促使原生裂隙扩张融合，从而导致软岩崩解以及边坡失稳。但事实上，不同类型软岩的矿物质量分数有所不同，不同因素对崩解影响的程度也有所不同，所以，虽然不同类型的软岩崩解过程与机理也存在一定差异。如何定量细分软岩类型，并确定其在湿-热-力综合作用下不同外界因素对崩解的影响程度，从而揭示崩解机理是软岩边坡失稳中需要重点解决的问题。

2)在探索软岩强度劣化规律方面，人们大多通过开展单轴抗压、三轴剪切等多种力学试验得到软岩相强度参数的变化规律，以此来分析强度的劣化规律。受设备功能限制，已有研究大部分在单一因素控制下对软岩变形特性进行研究，很少全面对湿-热-力耦合作用下的软岩变形特性展开研究，少数涉及多因素耦合影响的成果也仅是定性分析成果。因此，拓新研究手段，需设计可综合考虑不同温度和湿度变化条件下软岩强度试验装置。同时，还需尽可能控制试样的初始状态，减少原生裂隙、孔隙等因素对强度的影响，降低试验测试数据的离散性，这也是针对软岩强度研究需要突破的关键技术。

3)目前室内缩尺模型试验、振动台以及离心试验等技术已经逐步成熟，然而室内模型与现场原状边坡相比仍存在制样扰动所引起的试验误差，降低了结果的准确性。可见，进行湿-热-力耦合的模型试验时首先必须做到初始扰动和多因素变化路径等可控。而在数值模拟分析方面，多场耦合分析技术已经逐渐成熟，但现有模拟理论大多是基于理想连续介质体模型得出的，较少考虑湿胀干缩、原生孔隙裂隙丰富等软岩特有性质，如何将此类因素与软岩本构模型相耦合是软岩湿、热、力耦合数值分析的发展方向。

5 结论

1)目前关于软岩在湿-热-力环境下的崩解特性与机理的研究多从常规崩解试验以及细观结构观察试验开展，在分析方面较多采用分形理论获取不同崩解条件、崩解次数下的崩解粒径和细观形貌的分形维数，从而得到软岩的崩解规律与机理，所取得的成果中所选用的软岩类型不一，部分成果没有明确给出软岩的成因与矿物组成。因此，在今后研究中必须首先明确软岩的地质成因与成分组成，并定量揭示不同外因的影响程度。

2)软岩在湿-热-力影响下的强度和变形性能是影响边坡稳定性的主要因素，当前大量成果集中于软岩单轴抗压强度、抗剪强度以及弹性模量的研究。现有主流研究手段是开展单一因素作用下的单轴强度、剪切强度以及模量测试实验，并将测试结果通过多种公式进行拟合，获取强度与变形参数的预估方程。但受试验设备影响，只能实现单因素影响实验，很难对耦合过程的参数进行测试，因而亟需开展多因素耦合试验设备的设计研发，从而真正测试多因素耦合作用下的软岩强度。

3)现有软岩边坡稳定性分析方法大多基于室内模型试验，但在试验过程中，受采样扰动等影响，仍然存在难以控制试验初始条件，并且难以准确控制影响因素。数值模拟技术可以在很大程度上解决上述问题，在初始条件和边界条件的施加方面实现理想化控制，但仍需解决边坡数值计算模型的参数准确赋值问题。

4)在揭示软岩崩解机理方面，应对软岩类型进行细分并定量分析不同因素在崩解过程中所占的权重；在探索强度劣化规律方面，应考虑提高测试精度，减少初始条件难以人为控制所造成的离散性影响；在开展试验与数值模拟方面需要实现多因素的初始状态与变化路径可控。