高寒山地区冰碛土水热迁移规律及聚冰冻胀孕灾机制研究进展*

申艳军 魏 欣 张 蕾 张玉玺 李雪婷 陈 兴

(①西安科技大学地质与环境学院，西安 710054，中国)(②陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室，西安 710054，中国)(③西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室，西安 710054，中国)(④中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043，中国)

0 引 言

随着中尼铁路、中巴喀喇昆仑公路等寒区重大工程建设的推进，因沿线复杂的地形地貌、全球气候变暖的微环境放大效应及人类工程活动扰动影响，区域地质灾害频发且呈现加剧特征。冰碛土作为第四纪大冰川消融运移后的堆积物，主要分布在环青藏高原边缘高寒山地区，在季节性冻融及人类工程耦合作用下极易引起冰碛型滑坡、碎屑泥流等地质灾害，成为上述工程建设面临的重要地质灾害类型。因此，探究高寒山环境下冰碛土的冻胀特征及孕灾机制对于后续开展针对性科学防控现实意义重大。

冰碛土是由冰川运动过程中携带大量砾石、碎石、细粒土及粉土等快速混合搬运的一种冰水堆积体，与常规的均质冻土相比，具有高渗透性、强承载力和低压缩性等特殊性，且因其颗粒级配分布较广，呈现明显的尺度效应(袁广祥等，2009；袁涛等，2019)。在高寒山地区特殊地质环境条件下，冰碛土边坡内部会发生复杂的水热交换而引起冻胀失稳；且冰碛土冻胀特征与其组构参数、冻融环境等因素密切相关。因反复冻结和融水作用影响，内部存在未冻水、相变潜热及细颗粒迁移等动态演化，具有明显的多相多场耦合特征(陈涛，2019)。目前，关于冻融作用引起的土体冻胀特征机制，主要包括两大观点：(1)原位冻胀；即，因温度梯度过大时，土体内部孔隙未冻水来不及向冰锋面迁移而在所处位置发生的原位冻胀，并将产生9%的体积膨胀；(2)分凝冻胀；即，在冻结过程中由于水分的吸力导致其不断向冰峰面迁移形成的分凝冰现象(吕长霖等，2018)。以上均系水冰相变及传热作用导致冰碛土内部产生的局部性聚冰冻胀效应。且由于其内部颗粒的非均质性及冻融界面存在，将产生复杂的界面型聚冰冻胀灾变特征。

目前，冰碛土冻胀特性研究主要包括2个方面：(1)不同因素影响下的冰碛土冻胀特性研究；如：Ye et al.(2016)分析了粗粒土中细粒含量、渗透性及保水性对冻胀性能的影响，并探讨了粗粒土的冻胀发展机理。Gao et al.(2018)开展了不同细粒含量、含水率下的粗粒土冻胀特性，研究表明细粒含量和含水率是影响冻胀率和冻胀量的主要因素，且冻胀力随细粒含量的增加而显著增加，而内部水-气运移速率也决定了粗粒土中水分迁移量大小。此外，刘建坤等(2017)、卜建清等(2015)分别对不同细粒含量下的粗粒土进行冻融循环及三轴剪切试验，结果均表明随着粗粒土中细粒含量的增加，剪切屈服强度越大，而在冻融后剪切强度因细粒含量的增加而减小。(2)冻融条件下粗粒土的水-热-汽迁移研究；如：Teng et al.(2020)考虑了粗粒土中水汽迁移规律，并基于冻结冰缘附近的相变传热问题，提出了考虑水汽运移及对成冰作用的冻胀理论模型。Wang et al.(2019)对粗粒土的液态水迁移及水汽迁移耦合特征进行分析，表明粗粒土中气态水运移是冻结缘形成的主要方式，且液态水迁移对冻土区的冻胀作用小于非冻土区。以上研究均表明，冰碛土含有的细粒含量聚集是诱发局部性冻胀的主要原因，而冻融风化作用下冰碛土内部气态水迁移是诱发细粒含量局部冻胀的主要驱动力。其中，影响气态水迁移的主要影响因素包括：初始含水量、干密度、边界温度和供水模式等。

此外，目前大量学者围绕冻融作用下冰碛土边坡的冻胀变形失稳问题开展了系统研究。如：耿波涛(2018)对藏东南地区的冰碛物滑坡失稳机制研究发现，在不同降雨作用下冰碛土滑坡的最大位移为17.18m，且冰碛土的强渗透性和下覆滞水效应是诱发滑坡的内在原因；张彦峰等(2020)研究了冻融循环作用下墨西河流域附近冰碛土边坡冻胀碎化机制，指出：在水分迁移和渗透作用下，冰碛土内部存在富水区，且在滞水润滑作用下引起坡体失稳。但客观而言，现阶段立足于冰碛土自身组构特征及水热迁移规律，探究高寒区冰碛土边坡聚冰冻胀及孕灾机制尚不够系统。

据此，本文首先针对高寒山地区冰碛土的特殊组构特征进行深入剖析；在此基础上，全面探究冰碛土边坡内部发生的水-热-质迁移及冻胀损伤演化规律，进而明确其冻胀损伤机制及理论模型；最后，围绕高寒山典型冰碛土边坡灾变演化规律和内在机制开展系统剖析。研究以期为我国高寒山地区冰碛土边坡防灾减灾提供基础性研究支撑。

1 冰碛土的粒度组成及结构特征

冰碛物作为高寒山地区典型的第四纪冰川遗迹物，其形成过程主要是由于冰川在刨蚀堆积作用下，冰川表面及底床不断产生松散岩块碎屑，在搬运过程中沿程夹带大量岩屑物质一起运动，并在冰雪消融后，通过不同搬运形式在冰川末端逐渐堆积形成的松散碎屑物质，包括：冰川冻融风化侵蚀、冰川冰包岩运移、冰川消融堆积等3个过程。因剧烈的运动过程及快速沉积作用影响，冰碛物的粒径分布及组构特征差异较大，体现为以粗颗粒为主的非均质堆积现象。笔者对青藏高原地区典型冰碛物粒度组成及结构特征进行统计(表 1)，并结合相关学者对我国冰碛物粒径分布(袁广祥等，2009；王献礼，2009；涂国祥等，2010；方学东等，2013；吕士展等，2014；祁昊等，2017)研究结果，归纳发现冰碛土具有以下特征：(1)冰碛土主要是由大块巨石、砾石、碎石、细粒及黏粒等不同大小的颗粒粒径混合组成，粒度分布范围广泛。且以粗粒组(0.075～60mm)和巨粒组(d>60mm)颗粒为主，细粒及黏粒含量较少；(2)受剧烈的构造地质与地貌演化过程影响，冰碛土的级配范围变化大，呈现明显的级配不良现象；(3)冰碛土中粗、细骨料间混杂且无序，分选性差，胶结程度差异大。概而言之，高寒山地区冰碛土普遍呈现“二粒组”的组构特征，其中：粗粒组(砂、砾粒组)含量>50%，按照传统土粒组分类方法，可归为粗粒土范围。

不同时期冰川沉积作用形成的冰碛土存在不同的结构特征，比如：冰碛年代较早(倒二次冰碛)形成冰碛物大多已完成固结，具有强胶结、高密实度等特征，但年代较晚冰期(末次冰碛、新冰期等)形成的冰碛物较为松散，多为欠固结状态，极易发生失稳变形。因此，不同沉积作用影响内部颗粒胶结及密实程度。如：张永双等(2007，2009)、王献礼(2009)较早地将存在一定胶结性的冰碛土分为钙质胶结和泥质胶结两种，对于弱胶结性或无胶结性的冰碛土可分为骨架结构、悬浮结构和过渡结构3种，如图1所示(王献礼(2009))。其中：冰碛物中含水量和矿物含量可影响颗粒间的胶结性。程强等(2019)根据冰碛土骨架风化程度，将其划分骨架悬浮密实结构、软化骨架悬浮密实结构、砂砾土富集结构、大块石包绕结构等4种类型。以上冰碛土的结构类型均与块石骨架及砂砾杂基间的填充密实程度有关，不同颗粒大小混杂堆积形成各向异性结构。

表 1 青藏高原地区典型冰碛物粒度组成及结构特征Table1 Grain size composition and structure characteristics of typical moraine soil in Qinghai-Tibet Plateau

图1 冰碛土的典型结构类型(王献礼，2009)Fig.1 Three typical structures of moraine soil(Wang，2009)a.骨架结构；b.过渡结构；c.悬浮结构

综上所述，因高寒山区冰碛土特殊的粒径分布和结构特征，可为其内部水分富集提供了良好的储存空间。同时，由于冰碛土中粗粒组的含量最高，颗粒间的水动力和热传递作用剧烈，可诱导引起冰碛土发生显著的冻胀破坏。因此，关注冰碛土边坡的冻胀破坏孕灾机制，需重点关注冰碛土特殊组构条件下的水热迁移及聚冰演化特性。

2 冰碛土的水热迁移规律及演化机制

2.1 冻融作用下冰碛土水热迁移规律

冻融过程中冰碛土内部发生的复杂水热运移，将导致土体内部的水热动态失衡与土壤基质扩散迁移。而该过程是引起冰碛土产生冻胀变形的核心原因。因冰碛土具有典型的“二粒组”组构特征，内部水分往往会存在液态水、气态水两种形式，同时，土体内部热传导及相变作用过程会引起混态水分的重分布，将极大影响水分基质含量和传递特征。

目前，关于冰碛土的水热迁移研究多基于室内单向冻结循环试验展开，其中：多数按照粗粒土的划分标准进行针对性分析。如：学者研究表明(高建强等，2018；蒋言佳，2020)，在自上而下的冻结过程中，随着深度的增加，粗粒土的冻结温度逐渐升高，含水率也逐渐趋于饱和，且距离冷端越远其降温速率越慢。同时，由于表层的冻结温度最低，粗粒土内部水分不断向上迁移并产生冻结带，并随着冻结温度的降低冻结封面逐渐下降，导致冻结区厚度增加。因此，冻结温度梯度的变化是粗粒土发生水分迁移现象的首要条件，而水分迁移量及迁移速率与环境条件及细粒含量有直接关系。在细粒含量较低时不产生冻胀现象，无水分迁移作用，但随着细粒含量的增加，内部水分迁移速率及分离冰透镜体作用加强，并随着时间的增长，内部水分以原位冻胀逐渐转变为以冰透镜体生长为主的方式(Li et al.，2017)。Hou et al.(2020)对砂壤土在不同含水率、冻结温度及土壤容重条件下水热分布规律研究发现，土体的冻结深度随着含水率的增大而减小，但冻结区的水分迁移补给作用增强，并表明冻结温度降低和土体容重增大均能抑制水分的传递作用，导致冻结区水分迁移量减少。袁涛等(2017)亦指出水分迁移会影响粗粒土在不同位置的冻结温度，并认为含水量越大，冻结温度越低，越不利于水分的迁移，但会加速土体的原位冻胀现象。此外，不同外界补水条件对粗粒土的水分迁移具有很大影响(Konrad et al.，2005；李安原等，2015)，普遍认为在有外界补水条件下的水分迁移量和冻胀性明显相比无补水条件下的冻胀性较大，外界补水作用加剧了粗粒土内部冻胀聚冰效果。

以上的试验研究多关注于液态水迁移，而针对长期处于非饱和状态且地温较高的地区，其粗粒土内部存在气态水迁移现象，在表层结构的阻隔作用下产生“锅盖效应”，加剧了表层土体的冻胀性(张升等，2017)。滕继东等(2016)基于非饱和粗粒土的水气运移过程，最先提出了两种“锅盖效应”原理。第1种“锅盖效应”是在土体内部未达到冻结状态时，土体内部主要以毛细水的形式进行的水气冷凝现象。第2种“锅盖效应”是土体达到冻结状态时，内部大量气态水向浅层土体迁移聚集成冰，使得浅层土体含水率大幅度增加现象，该现象是造成粗粒土边坡冻胀破坏的主要原因，并基于第2种“锅盖效应”提出了水汽迁移成冰理论。张玉芝等(2020，2021)、Wang et al.(2019)学者也对非饱和粗粒土的水气迁移规律进行研究，结果表明：在粗粒土的冻融过程中，外界水分主要是以水气混合模式向土体内迁移，而初始含水率增大可有限的抑制粗粒土中气态水的迁移作用。气态水迁移主要受温度梯度、水分梯度的影响(贺佐跃等，2018)，在冻结初期，浅层土体由于温度较低产生水-汽相变导致内部平衡被打破，在土体内部形成明显的水势梯度，加剧了深部土体水分向冰锋面迁移和蒸发速率，而在水汽相变过程中会消耗大量的潜热，进而影响粗粒土中液态水和气态水的迁移。

综上所述，在冻融过程中粗粒土内部均存在液态水及气态水混合向冰锋面迁移现象，其水分迁移的主控因素受细粒含量、含水率及温度梯度等的影响。在初始含水率及细粒含量较小时，粗粒土内部主要以气态水迁移方式为主，并随着温度梯度的增加，气态水向冰封面迁移量增多。但在含水率较大且有外界补水条件下以液态水迁移为主，且细粒含量与粗粒土的水分迁移速率成正比。

2.2 冰碛土的水热迁移演化机制

图2 冻结缘结构示意图(王丹等，2019；Liu et al.，2020)Fig.2 Schematic diagram of frozen edge structure(Wang et al.，2019；Liu W et al.，2020)

关于寒区土体的水分迁移冻胀机制研究，前期多关注均质冻土问题展开，Taber(1929)最早发现土体冻胀现象并不只是单纯的原位冻结产生的，更多的是由于水分迁移过程中引起冰透镜体的生长。随后，Taber et al.(1930)也证实了水分迁移是诱发土体冻胀的主要原因。国内学者程国栋(1981，1982)最早提出了季节性冻融过程中未冻水不等量迁移规律及分凝成冰机制。大量学者在此基础上(Kaplar，1970；Anderson et al.，1973；Azmatch et al.，2012；周扬等，2012；马巍等，2012；曾桂军等，2015；Sweidan et al.，2022)对土体冻结过程中水分迁移规律进行了一系列试验研究和数值分析，分别探究了在不同温度梯度下土体内部冰透镜体的形成与发展过程，并基于多孔介质理论建立了各种水热耦合模型。Miller et al.(1972)指出水分迁移及水冰相变过程不是在一个冻结温度点发生的，而是在一个冻结温度区域内产生的，并提出了冻结缘的概念和特征。相关研究均表明，土体在一定厚度的冻结缘内将产生聚冰冻胀破坏，冻结缘是土体发生水分迁移和水冰相变的关键区域，其特征参数为未冻水含量、冰水相变力及冻结缘厚度(盛岱超等，2014；王丹等，2020)，如图2所示。在冻结缘内土体的水分迁移速率和冻胀量取决于温度梯度和水势梯度，若温度梯度较大，冻结速率过快时，土体颗粒表面水膜来不及向冻结封面迁移，从而抑制了水分的迁移作用，即发生原位冻胀。否则在冷趋力下未冻水不断向冻结封面迁移聚集形成分凝冰，后者被认为是土体冻胀的本质所在。其次，从热力学角度来看，认为冻结区和未冻区内土颗粒表面因未冻水膜厚度分布不均而形成了水势差，导致水分迁移作用发生。冻结缘区域内的未冻水膜分布在颗粒外围的不均匀性决定了水分迁移的方向和数量。从力学角度认为，在水分迁移过程中，水冰界面处产生的相压力导致孔隙水压力降明显，进一步加快水分迁移速率。

综上所述，水分迁移程度普遍与初始含水率和冻结温度呈反比，且随着水分迁移作用增强，在冻结区和未冻区之间将存在一个过渡段，该过渡段深度被称为活动冰透镜体厚度(周扬等，2010)或临界深度(Hou et al.，2020)，是水分迁移富集的最主要区域。以上关于土体的水分迁移机制多基于冻结缘理论展开的，关于诱发水分迁移驱动力理论还有毛细管作用理论、土水势理论、分凝势理论等。同时，随着对土体冻胀机理的深入研究，大量学者也针对不同冻融环境下土体的温度场、水分场、应力场等多场耦合规律进行分析，并提出了多种水热迁移耦合模型，如：水动力模型(Harlan，1973)、刚性冰模型(二次冻胀模型)(O’Neill et al.，1985)、水热力耦合模型(Sweidan et al.，2020；Ming et al.，2016)、预融动力学模型(Saruya et al.，2013)、分离冰模型(周扬等，2010)等。以上模型均旨在尝试解答冻结过程中土体内部水热迁移驱动力来源及分凝冰机制。

然而，由于粗粒土中液态水通常是不连续的，导致液态水无法迁移到冻结封面，进而抑制了冰透镜的形成。粗粒土内部水分主要以液态水和气态水混合形式赋存于颗粒孔隙内，存在混合态水分迁移现象，在“锅盖效应”的作用下加剧表层土体的冻胀性，有研究表明气态水迁移是诱发粗粒土产生水分聚冰冻胀的主要运移方式(张升等，2017；刘建龙等，2021)。Liang et al.(2020)对不同因素下粗粒土中的水汽迁移规律进行研究，发现：粗粒土在气态水迁移作用下，内部无层状冰透镜体分布，而是一条含有分凝冰和孔隙冰的冻结带，并建立了粗粒土水汽运移及相变的冻胀理论模型，其中：图3为粗粒土中气态水迁移过程及水热瞬态分布示意图。该模型表明由于气态水迁移作用使得在不透水覆盖层下形成分凝冰现象，在分凝区之外气态水因水汽浓度的影响而凝结成液态水，进而冻结形成孔隙冰，该模型较好解释了气态水迁移诱发分凝冻胀现象及孔隙冰的形成过程。

图3 粗粒土中气态水迁移过程及水热瞬态分布(Liang et al.，2020)Fig.3 Water-vapor migration process and hydrothermal transient distribution in coarse grained soil(Liang et al.，2020)

图4 不同含水率下固、液、气分布关系示意图Fig.4 Schematic diagram of solid，liquid and vapor distribution under different water contenta.滴态；b.索态；c.气泡孤岛

在含水率较低时，由于内部颗粒表面液体的不连续性，水分主要以表面毛细吸力、气态水迁移为主；其中：在温度梯度作用下产生表面张力梯度，而气态水在毛细力作用下产生了通过弯月状液体表面压力差，该压力差导致气态水从高梯度向低梯度方向迁移。当含水率逐渐增大，土体内部液态水逐渐聚集形成连续状态，液相体积含量增大导致气体逐渐以扩散运动为主，其扩散系数逐渐减小。粗粒土中的气态水传输主要受毛细压力、连续扩散作用影响，而气态水的扩散程度主要与粗粒土内部孔隙结构和气体密度有关。图5为非饱和土体内部典型物质-能量传输路径示意图。

图5 非饱和土内部典型物质-能量传输路径示意图Fig.5 Schematic diagram of typical material-energy transport paths within unsaturated soils

此外，不同温度梯度下粗粒土中的骨架颗粒、气体与液态水之间具有热传导、对流换热及相变换热等多种热量传递方式，各相间传热方式呈现极其复杂的过程，且与粗粒土内部结构、含水率及温度等有关。当含水率较低时，骨架颗粒间的热传导为主要换热形式，而含水率增大时，孔隙水增大了颗粒间的有效接触面积，使得固-液间的对流换热作用加剧，从而引起水分逐渐从暖端向低温处迁移。同时，因颗粒间不均匀性和各相间接触方式的不同，导致粗粒土内部各热量传递方式间具有强耦合性，尤其在冻结过程中因孔隙冰的形成而打破了原有热量平衡，促使内部热量重分布。此外，温度梯度的变化加快了内部热量的重分布现象，并通过影响粗粒土中水的黏滞性、密度及表面张力，进而产生了水分迁移及冻胀现象加速。

基于以上对粗粒土内部水热迁移机制分析可知，探究冰碛土内部水热迁移规律应重点关注初始含水率及冻结温度的影响。同时，因冰碛土内颗粒结构和孔隙空间分布的不确定性，需重点考虑内部各相间的局部热力学平衡条件及热传递方式对冻胀形成机制的内在关联。

图6 粗粒土冻胀后的CT剖面图(刘建龙等，2021)Fig.6 The CT profile of coarse-grained soil after frost heave(Liu et al.，2021)a.不含细粒含量的冻结带分布；b.含细粒含量的冻结带分布

3 冰碛土的聚冰冻胀演化规律及影响因素

3.1 冻融作用下冰碛土聚冰冻胀规律

前期大量学者对粗粒土水热迁移过程已有一定研究(Li et al.，2017；Liang et al.，2020)，发现：粗粒土中的水热迁移是产生聚冰冻胀的主要原因。同时，基于试验结果，粗粒土内部的混态水分迁移作用导致在靠近暖端侧出现无层状分布的冻结带，且该冻结带厚度随着冻结时间的推移逐渐增加。该冻结带与均质土中分凝成冰现象不同，呈现无分层性且冻胀不均匀，受细粒含量的不同其富冰层位置也有所差异，如图6所示。刘建龙等(2021)指出该现象是由于气态水可穿越冰锋面进入冻结区导致的，并认为该冻结带是孔隙冰和分凝冰共同存在的一种聚冰冻胀形式。Founie et al.(2007)采用X-CT定量表征了不同细粒含量下饱和粗粒土的形态及冻胀特征，发现在级配良好的粗粒土中细粒含量的增加会导致死孔的产生，使得孔隙冰饱和度逐渐增大，改变不透水层位置。实际在冻融过程中，受水汽迁移影响的冻结缘变化是动态非平衡过程，粗粒土中的冰晶表面存在一层水膜，在冻结过程中冰的形成增加了土体的基质吸力，反而降低了水汽密度，进而不断推动气态水向冰封面迁移，水汽迁移促进了粗粒土冰透镜体的增长。

此外，大量学者(王天亮等，2013；Zhang et al.，2021)对粗粒土的冻胀演化过程分析发现，在温度梯度的影响下，粗粒土内部冻胀量随着冻结时间的推移逐渐增大并趋于稳定，其冻胀速率在冻结初期较快，但在冻结后期逐渐下降，根据冻结速率的不同可分为3个阶段：(1)快速冻结阶段，该阶段由于温度梯度较大，冻结速率较快，土中水分快速发生原位冻结，产生的冻胀量较大。(2)缓慢冻结阶段，该阶段冻结速率开始下降形成冻结封面后，未冻水不断向冷端冰锋面处迁移，冻结深度及冻胀量逐渐增大。(3)稳定冻结阶段，该阶段冻胀速率逐渐减小，冻胀量逐渐增长缓慢并趋于稳定，冻结深度也逐渐达到最大值，粗粒土的聚冰冻胀现象主要发生在第三冻结阶段。受初始含水率及温度梯度的影响，不同冻胀阶段的成冰现象具有不同的特点。当含水率较低时，气态水作为主要的运移方式。细颗粒表面上存在吸附水，在温度梯度下吸附水膜会产生冻结，冰的加入导致孔隙内部尺寸减小，孔隙冰的冻结降低了粗粒土中的渗透性。加之在温度梯度的驱动下，粗粒土中的气态水逐渐向上层冻结区迁移产生冻结带。而当含水率较大，内部细颗粒含量较多时，由于细颗粒有较大的基质吸力引发液态水向冻结区迁移，气态水迁移作用降低甚至消失，进而造成冻胀量显著增加。

3.2 不同因素下冰碛土的冻胀特性

粗粒土内部的冻胀特性主要受细颗粒含量、含水率、干密度、温度梯度等的影响，探究不同因素下粗粒土的冻胀性对揭示冰碛土冻胀破坏机制具有较好参考价值。

3.2.1 细粒含量对冻胀性的影响

针对细粒含量对冻胀性的影响，研究表明细粒含量和矿物含量的增加会明显增强粗粒土的冻胀敏感性。对级配良好的粗粒土而言，随着细粒含量增加，粗粒土的水分迁移作用越强且冻胀性越明显，而冻结深度逐渐减小(Konrad et al.，2005；张聪颖，2018)。徐学祖等(2001)较早认为导致粗粒土中发生明显冻胀现象的粉质黏土含量界限为12%，但尚未说明发生水分迁移的细颗粒含量界限。叶阳升等(2007)总结了国内外对路基填料中冻胀不敏感性土的划分界限，普遍认为当细粒含量小于15%时的碎石、砂类土均属于冻胀非敏感性材料，只有当细粒含量大于15%时会产生明显的冻胀率。而我国水利部将粗粒土中粒径小于0.05mm的细粒含量冻胀性发生界限设定为6%。Li et al.(2017)同样研究发现：冰透镜体的生长和冻胀量与细粒含量有关，在细粒含量低于3%时仅发生原位冻胀，在细粒含量至少为6%时才可以观察到冰透镜体的生长。王天亮等(2013)提出细圆砾土填料在细粒含量为9%时的冻胀率和压实效果最佳。此外，粗粒土的颗粒级配也会影响冻胀性，研究表明，级配良好的粗粒土随着含量的增加将填充粗骨架间的孔隙从而形成更密集的结构，不利于产生水分迁移及冻胀现象，而级配不良的粗粒土随着含量的增加引起水分疏水通道增多，进而加剧了冻胀性。

3.2.2 含水率对冻胀性的影响

粗粒土的初始含水率影响液态水和气态水分迁移量，是产生聚冰冻胀现象的另一主要因素。通过对不同含水率的冻胀性试验研究发现：在有外界补水条件下，粗粒土中含水量越大则冻结深度越低，但冻胀量和冻胀率逐渐增大(张彦峰，2020)。不同类型的粗粒土其冻胀率相差较大，张以晨等(2007)研究了季冻区各种粗粒土的冻胀率和含水率界限值关系，表明冻胀率与含水率呈线性增长关系，并得出中砂、粗砂和细砾三者在达到相同冻胀率时的界限含水率普遍规律为：冻胀率为1%时含水率界限值为7%，冻胀率为3.5%时含水率界限值为10.6%，冻胀率为6%时含水率界限值为14%。王青志等(2015)通过冻胀正交试验发现，粗粒土中含水率小于5%时产生的冻胀率较小，在含水率大于7%时将产生大于1%的冻胀率。

3.2.3 冻结温度对冻胀性的影响

冻结温度影响了粗粒土冻胀速率和冻结速率的大小，从而引起冻胀率发生变化。普遍认为土体的冻结温度越低则冻胀量越大，在反复冻融作用下，粗粒土中的水分不断迁移发生聚冰冻胀(李鲁宾，2021；刘建龙等，2021)。当冻结初期温度突然降低时，土体内部各层温度梯度增大，冻结速率加快，粗粒土内部毛细水和薄膜水来不及向冰锋面迁移便发生原位冻胀，堵塞了水分运移通道，此时产生的冻胀率较小。而在冻结后期由于冻结速率缓慢降低，为粗粒土内部水分向冰锋面迁移提供了足够的时间，使得外部水分补给的作用下不断发生产生分凝冻胀，产生的冻胀率明显增大，因此，粗粒土中的冻结速率与冻胀率呈负相关关系。同时，冻结温度下降也会延长冰锋面的移动速率，使得冻结区形成更宽的冻结带。

3.2.4 压实度对冻胀性的影响

除了上述因素外，压实度对粗粒土冻胀性的增大具有一定抑制作用，压实系数越大则冻胀性越小，其大小取决于细粒含量和温度梯度(李安原等，2015；杨有海等，2018)。龙小勇等(2018)对青藏高原砂砾土进行不同压实度下的冻胀试验发现，在相同含水率下，冻胀率随压实度的增加呈现先增大后降低的趋势。Liu et al.(2020)对粗粒土进行不同压实度下的冻胀试验，结果表明在正常压实条件下的冻胀量最大，而在欠压实条件下的冻胀量最小。王天亮等(2013)亦提出粗粒土的冻胀性随干密度的增大呈先增大后降低的趋势，并且细粒含量越多，干密度影响下的冻胀率也越大。以上试验均表明不同粗粒土存在一个最优冻胀压实度，其与最大干密度值有关，在工程实践中，也常用最大干密度作为衡量压实度的直接评价指标。

综上所述，以上各种因素对粗粒土的冻胀特性具有不同影响，影响粗粒土冻胀率的影响因素排序为：含水率>细粒含量>压实度>冷端温度(王青志等，2015；吴鹏等，2020)。需要强调的是，上述因素对粗粒土冻胀性能影响并非独立，往往存在耦合放大效应，需重点关注各因素间耦合互馈影响关系。

4 高寒山地区冰碛土边坡多相-多场孕灾演化机制

4.1 冰碛物边坡多相-多场动态演化机制

基于上节粗粒土的水热迁移及聚冰冻胀演化过程分析可知：在寒区冻融循环、降雨入渗和积雪融化等外界环境下，冰碛土边坡内部同样会产生复杂的温度场、水分场变化，极易引起边坡产生聚冰冻胀，进而诱发滑坡、泥石流等地质灾害发生。

前期学者围绕某铁路沿线粗粒土边坡温度场、水分场研究发现：粗粒土中含水率随深度的增加而趋于饱和，同时由于地下水-热对流作用的不均匀性导致坡脚的冻结深度反而最小，但在坡肩处的冻结深度最大。同时，积雪消融入渗会增大粗粒土边坡的冻结深度，提高冻结速率。其次，受温度梯度变化的影响，在坡面与最大冻结深度间存在水热剧烈相变区，该区域可诱发冻融界面薄弱区的产生。此外，工程扰动也会破坏冰碛土的结构组成及密实度，促使地下水的快速入渗，并在一定深度处形成富水软弱层(谢春庆等，2013)。

表 2 降雨/融雪作用下冰碛土边坡多相-多场演化过程剖析Table2 Characteristics of multi-phase and multi-field of moraine slope under rainfall and snowmelt

赵文等(2021)对某铁路沿线粗粒土边坡的水热运移规律进行研究发现，冻融作用加剧了土体内部水分逐渐向坡体表面迁移成冰速率，细颗粒在水力推动作用下逐渐析出，导致边坡结构松散，冻胀破坏作用剧烈。Zhao et al.(2020)开展了降雪条件下寒区粗粒土边坡的冻胀变形试验，研究认为季节性粗粒土边坡的变形破坏是由于表层土体冻胀破坏和冰雪融水入渗引起的。基于上述研究结果，笔者归纳总结出冰碛土边坡在冻融过程中多相-多场演化过程，详见表 2所示。

基于表 2发现，在冻融循环过程中冰碛土边坡主要经历3个阶段：在冻结初期，边坡表层一定深度内的细颗粒逐渐析出，导致结构松散渗透性增大，在降雨及融雪作用下使得坡面含水率升高。在冻结后期，冻结温度随边坡深度的增加逐渐降低，冻结深度逐渐增加并趋于稳定，并形成冻融界面薄弱区；在融化期，坡体表面温度逐渐回升，积雪融化速率加快，水分向冰锋面迁移，导致冰锋面附近含水率增大形成富水软弱区。

因此，冻融循环过程中冰碛土边坡产生聚冰冻胀的内在机制在于持续的水热迁移及水冰相变过程的发生，并因富冰软弱带的形成造成了该类边坡失稳。而目前该领域研究主要侧重于寒区冰碛土边坡水热迁移规律分析，对于冻融条件下冰碛土边坡内部水-冰界面带形成过程及其滞水润滑效应研究有待强化。

4.2 冰碛土边坡富冰带形成过程及滞水促滑机制

该部分侧重于剖析冰碛土边坡富冰带形成过程及滞水促滑机制，据上节研究可知，冰碛土在外部环境和内部应力的双重作用下，诱发其内部产生典型“锅盖效应”，进而形成隔断区和聚冰富水区，反复的冻融作用为寒区冰碛土边坡灾变提供了良好的条件。其典型特点为：受温度及降雨等影响下冰碛土内部不断发生水热质迁移及相变传热过程，使得浅层冰碛土边坡产生富冰软弱带，探究高寒山地区冰碛土边坡富冰带形成过程是厘清冰碛土堆积界面型滑坡灾变机制的关键性科学问题之一。

目前，寒区大型冰川泥石流或滑坡灾害的形成均源于冰缘或冰碛土等物源突然发生崩落或滑塌现象(罗路广等，2020)。而该现象是由于冻融循环过程中土体的质点迁移效应和冰-水界面的滞水润滑效应所产生(靳德武等，2005)。剖析其孕灾机制可知，其主要受两种模式控制：(1)混态水-热迁移聚冰效应；(2)富冰带界面的滞水润滑效应。一方面，在全球气候变暖的客观因素下，高山冰川和冻土消融后形成的冰碛物物源条件丰富，冻融和降雨侵蚀入渗作用强烈，触发了冰碛土边坡内部的水热力重分布。冻融作用引起土体内部未冻水和细颗粒不断向冻结区迁移，加快了冰锋面处的冻结和迁移速度，直至在一定深度处达到稳定状态后停止，下覆土体处于封冻状态形成不透水层(葛琪，2010)。另一方面，季节性冻融作用使得冰碛土边坡水分富集且含水率增大，在持续冻结过程中内部水热迁移及定向化聚冰现象显著(吴玮江，1997)；而因下覆基岩或低渗透古冰碛层往往相对隔水，往往在区域附近出现典型富冰带，而在水压变化和分凝聚冰的联合作用下，富冰带上覆土体大面积软化形成混合软化区，从而在富冰带的低摩擦性和滞水润滑作用下，引发滑坡、泥石流等灾害链的发生。杨栋等(2019)也针对冰碛物边坡不同的破坏形式提出了3种典型斜坡类型：壤化层+冰碛层、冲洪积物覆于冰碛层之上、冰碛层夹湖相沉积层。以上3种斜坡结构内的主要破坏方式均表现为沿渗透界面薄弱层运移的浅表层滑坡。

图7 冰碛土富冰带滞水-促滑过程示意图Fig.7 Schematic diagram of water-retarding and slipping-promoting process in ice-rich belt of moraine soil

与均质冻土边坡的聚冰冻胀过程相比，冰碛土边坡具有强烈的水热质迁移及富水聚冰现象，具体表现在：(1)受冰碛土特殊的物性特征影响，不均衡水热迁移现象突出，富冰带聚冰及滞水润滑过程明显；(2)聚冰历时短，往往在若干季节冻融周期完成富冰聚集；(3)富冰带呈现多级分层结构特征，并掺杂大量细粒土，存在细颗粒迁移特点。整体而言，冰碛土富冰带的形成过程及促滑机制主要受内部温度场和水分场控制，高寒山地区冰碛土堆积型边坡内部存在明显的富冰软弱带，在降雨融雪及冻融联合作用下诱发冰碛粗粒土内部产生水热质迁移及滞水促滑效应。图7为冰碛土富冰带滞水-促滑过程示意图。

因此，认知冰碛土边坡富冰带滞水-促滑机制是评价该类地质灾害临灾判识及科学预控的另一重要问题。而目前针对界面滞水-促滑机制研究仅关注到冰碛土的水-热-质多相迁移现象，以及其导致富冰带积聚过程，对于引发高寒山区冰碛土边坡灾害的临灾条件及针对性动力学机制尚待深入剖析。

4.3 冰碛土边坡孕灾演化过程及灾变机制

冰碛土作为高寒山地区地质灾害重要物源，在外界动力扰动作用下易形成大规模地质灾害。具体外界动力扰动过程包括：土力学和水力学过程，其中：土力学过程指冰崩、滑坡等诱发泥石流灾害转化的形成。水力学过程指由降雨作用或冰雪消融诱发的滑坡、泥石流等灾害，冻融循环作用影响冰碛物边坡水冰相变演化及地下水渗透性能改变。

目前，学者根据流体力学原理、多维多相介质理论等方法，尝试提出地质力学模型表征地质灾害动力演化过程，如：Ouyang et al.(2015)研究了泥石流的夹带放大效应对动力特性的影响，基于Coulomb理论和Voellmy摩擦定律提出了一种新的泥石流基础夹带动力学模型，并通过数值模拟验证了该模型的有效性。Liu et al.(2020)考虑了降雨入渗、径流和泥石流路径等各个阶段的运移过程，提出了一种模拟泥石流运动机制和夹带效应的综合模型，有效的实现了泥石流从形成到传播的危险性预测。王玉峰等(2016)基于大型三维模型试验研究了高位远程滑坡-碎屑流的运动特征及堆积形态，并发现碎屑流的运动具有“X”型共轭堆积脊地貌形态。以上研究虽可对寒区地质灾害发生及传播过程进行监测预报，但对灾害发生的临界时间和位置预测尚难以把控。同时，物理模型受尺寸比例、实际物源条件复杂及环境因素不可控等影响，难以精准再现现场地质灾害发育过程。因此，在高寒山特殊环境作用下，应重点关注该地区地形地貌、地质环境对灾害发育的影响过程及临界条件，并着力于分析冰碛土边坡失稳的主控因子，并基于控因定量建构动力学预测模型，以便明晰冰碛土边坡孕灾机制，并有效提高精准防控水平。

图8 冰碛土边坡内外耦合共生灾害演化过程Fig.8 Evolution process of coupling and symbiotic disaster of moraine soil slope

由于冰碛土物质结构特性的复杂性和多样性，内部往往会产生土力学与水力学过程耦合作用。目前，已有研究表明影响其地质灾害链启动的主要因素有：水动力条件(潘蕾，2017)、地形地貌、物源特征(张佳佳等，2018；Liu et al.，2020)、环境条件。冰碛土边坡地质灾害演化过程如图8所示，孕灾演化过程为：在特大暴雨或冰雪消融作用下，一部分水分容易冲击冰碛土坡面向下侧汇流，一部分水分在其沟道积水沿裂隙径流入渗至内部，引发滑坡、崩塌灾害的发生，破坏边坡的稳定性并为灾变的发生提供充足的物源条件。此外，加之在冻融作用下，冰碛土边坡内部损伤及水热交换现象显著，反复冻融作用使得冰碛土产生富冰带聚冰冻胀效应，且在高寒山巨大高程下冰碛土碎屑物与洪水掺混沿着富冰带进行滑动运移，在运动过程中与河床两侧挟裹的冰碛土发生明显的物质交换和水分补给，进而诱发滑坡灾害转变为大型或特大型泥石流灾害。由于冰碛土的丰富含泥量堵隔河流形成堰塞湖，待水量达到一定程度时易引发大型溃决洪水灾害，具有典型的“内外耦合共生孕灾”特点。因此，冰碛土堆积型滑坡灾害链主要是指由滑坡启动孕灾、泥石流灾变运移、堰塞湖阻江、溃决洪水冲积等过程。该过程涉及滑坡启动、运移过程中的形态转变、沿程侵蚀汇流、堵江叠加以及溃决水沙耦合等复杂动力演化特征(杨兴国等，2022)。

因此，冰碛土边坡富冰带形成过程及滞水润滑机制本质上是冻融过程中的各相物质迁移和能量转化，涉及复杂水力学及热力学问题，包括：颗粒间的热传递、水动力以及细颗粒聚集效应等。而目前针对冰碛土边坡多相多场物质能量交换问题尚不明确，亟待后续予以专项攻关研究。

5 结 论

基于本文综述研究发现，目前冰碛土相关研究主要侧重两个方面：①冰碛土内部水-热-气多相多场耦合问题，包括：总势能下水热迁移规律、多相多场耦合模型；②冰碛土边坡冻胀变形及促滑失稳特性问题，包括：富冰带成因及滞水润滑效应机制等。据此，本文的主要研究结论如下：

(1)冰碛土水热迁移及冻胀特性试验方面，目前多关注于分析各层位温度场和水分场的变化规律，鲜有针对冻融过程中冰碛土的水-热-质迁移特性开展研究，尤其关于冰碛土各相界面间局部热传递机制研究尚不明确，故建议开展冻融作用下冰碛土的水-热-质迁移规律和冻胀特性研究，从而揭示冻融诱发冰碛土的多相多场内在耦合机制。

(2)冰碛土冻胀传热理论研究方面，目前针对均质冻土的冻胀模型研究较多，而关于非饱和粗粒土的冻胀耦合模型研究较为片面，应进一步推导冻融作用下冰碛土水热迁移及相变传热方程，并引入细颗粒运移表征方式，建立冰碛土的多相多场迁移理论模型。可为后期揭示冰碛土边坡冻胀失稳机制提供理论支撑。

(3)冰碛土界面型滑坡灾变机制研究方面，应重点关注在不同冻融因素下冰碛土边坡富冰带形成过程及滞水润滑机制，同时，应探究富冰带的滞水润滑效应对边坡稳定性的潜在影响，并基于以上机制研究，以便掌握高寒山区冰碛土滑坡失稳的临界条件及判据。