高原季節性粗顆粒凍土邊坡破壞的現場觀測試驗

趙夢怡，謝強，朱磊，任新紅，趙文

高原季節性粗顆粒凍土邊坡破壞的現場觀測試驗

趙夢怡1，謝強1，朱磊2，任新紅1，趙文1

(1. 西南交通大學 地球科學與環境工程學院，四川 成都 610031；2. 成都地鐵運營有限公司，四川 成都 610000)

為探求川西高原季節性粗顆粒凍土道路邊坡普遍出現不同程度表層破壞的原因，選取康定新都橋附近公路邊坡，采用多種測試手段，對邊坡的變形、氣溫、地溫和地下水變動等特征進行長期現場觀測試驗。研究結果表明：邊坡土體凍融僅發生在邊坡的淺表層，凍融深度大致在0.5~1.0 m之間；邊坡最大變形方向與地下水流向存在明顯的相關性；氣候特征，特別是降雪與邊坡的破壞有直接關系。在凍結融化和積雪消融條件下，試驗邊坡變形突增，直至在坡面表層1 m范圍內產生滑塌。川西高原季節性粗顆粒凍土邊坡的破壞，是表層凍融和融雪下滲的結果。

粗顆粒土；季節性凍土；邊坡；破壞模式；現場試驗

四川省新都橋、理塘地區地處川西高原，屬高山河谷地貌，山坡坡腳多為坡洪積角礫土堆積，年氣溫變化大，在－30.0~35.0℃之間，是季節性粗顆粒凍土主要分布區域。對區域內國道318公路邊坡調研后發現，很多粗顆粒凍土邊坡出現了表層溜坍、熱融滑塌等不同程度的破壞現象，嚴重影響交通工程的安全施工和運營。關于季節性凍土邊坡的破壞模式和機理，不少學者對細粒土凍土邊坡進行了研究。細粒土凍土邊坡的失穩機理可概括為凍融循環導致的土體結構、力學參數的變化[1?8]。與細顆粒凍土相比，粗顆粒凍土具有顆粒粗、孔隙大等特性，不同的土體結構特征，引起負溫條件下土體中水的凍結狀態以及水的滲流遷移模式均不同。粗顆粒凍土邊坡的破壞模式和破壞機理，是否與現階段研究較多的細顆粒凍土邊坡相同，近些年已有學者對粗顆粒凍土的巖土參數、邊坡破壞模式及機理等進行了探索。李安原等[9]對影響粗顆粒土凍土特性的關鍵因素，土質、水分特征及溫度狀況等方面進行了論述。張林林等[10?11]對季節性粗顆粒凍土在凍融循環下強度衰減特性進行了研究，楊百祥[12]通過邊坡調查發現粗顆粒土邊坡多以淺表層土體破壞為主。趙永峰等[13]研究了季節性粗顆粒凍土邊坡溫度場分布及其變化規律。以上學者通過理論研究、室內試驗、現場調查、數值計算等多種研究手段對粗顆粒土季節性凍土邊坡的破壞現象和機理進行了探討，本文則通過現場觀測試驗的方法對川西高原季節性凍土邊坡的破壞現象和模式進行 研究。

1 現場邊坡試驗方案

為選擇合適的凍土邊坡進行現場試驗，作者對四川新都橋和理塘區域內318國道的137處公路邊坡開展野外調查工作，對凍土邊坡的巖土類型及結構、邊坡坡高及坡率、地下水出露情況等基本特征進行調查和統計。綜合大量凍土邊坡的調查結果，對季節性粗顆粒凍土邊坡的基本特征形成了初步的認識：邊坡物質組成中礫石土邊坡最多，占邊坡調查總數的63.5%，其次為碎石土和卵石土；邊坡坡高及坡度分布較廣，坡高主要集中在2~10 m范圍內，坡度在20°~60°之間；地下水位較淺，82.24%的邊坡在邊坡坡腳以上存在地下水出露現象。

根據季節性粗顆粒凍土邊坡特征，選擇康定縣新都橋鎮瓦澤鄉318國道CK379＋500左側邊坡作為實驗觀測邊坡。邊坡地表為坡洪積層粗顆粒角礫土，邊坡坡高6.0 m，寬50.0 m，長150 m左右，自然坡度42°，地下水運移比較活躍，地表水隨季節變化大，主要受大氣降水控制，未見明顯的構造作用。據地勘鉆孔資料揭示，邊坡0~17.0 m范圍內均為角礫土，角礫約占50%~60%，粒徑1~5 cm，10%~15%為碎石，其余為砂充填。

邊坡現場試驗主要包括記錄邊坡形態變化的過程及氣象資料、邊坡不同位置的變形、溫度等相關參數測試。各測試孔位置布置見圖1。

圖1 現場監測孔位布置平面圖

根據當地氣象資料的研究，試驗現場極端最高氣溫為29.4 ℃，極端最低氣溫為?14.1 ℃。選用NHQXZ-W-609小型氣象站對現場氣溫進行監測，氣象站工作環境溫度的范圍為?40~＋80 ℃，氣象站測量溫度范圍為?50~＋80 ℃，準確度±0.1 ℃，滿足現場監測要求。

為測試在變形過程中邊坡內部的溫度變化，確定粗顆粒凍土邊坡的凍融深度，采用鉆孔埋設測溫元件的方法在邊坡不同位置和深度處進行地溫測試?，F場試驗邊坡共布設了8個溫度監測孔。溫度監測孔孔徑為150 mm，孔深均為4.0 m，每個監測孔布設6個測溫元件，深度分別為4，3，2，1，0.5和0.2 m。測溫元件采用PT100溫度傳感器，溫度采集范圍為?50~＋110 ℃，精度為±0.5 ℃。為修正元件不同線長的阻值差異對測試結果的影響，對不同線長的PT100進行了標定。

為監測現場邊坡位移變化過程，在邊坡不同位置布設位移監測孔，埋設測斜管進行位移測試。位移監測孔孔徑為110 mm。邊坡測斜孔共4個，分別位于邊坡坡面后0.8，1，2以及4 m處，孔深在5.0~8.0 m之間。采用RQBF-3A型智能型測斜儀，對邊坡位移進行測試，測斜儀的工作溫度為?20~＋80 ℃，系統精度為≤0.1 mm/500 mm，滿足現場位移監測要求。

地下水特征對邊坡破壞模式有一定的影響。在現場布設四邊形分布的地下水位監測孔，在高水位孔投放高濃度鹽水，采用數字萬用表測試其他水位孔的電阻變化，以測試地下水滲流特征。

觀測試驗自2016年1月開始，至2017年3月第1個周期結束，歷時13個月。

2 試驗測試結果及分析

2.1 溫度測試結果

根據氣象站以及地溫監測數據，繪制試驗邊坡全年的氣溫和恒溫帶地溫隨時間的變化關系(如圖2)。全年氣溫變化范圍在?12~25 ℃之間，變化過程可分為2個階段。2015年12月至2016年4月，每天最低氣溫在0 ℃以下，1月份達到全年最低氣溫?13 ℃，恒溫帶附近地溫全年最低值2.5 ℃出現在3月份，滯后于氣溫2個月。2016年4月至2016年11月，最低氣溫在0 ℃以上，氣溫、地溫隨著時間呈先升高后降低趨勢，且氣溫最高值25 ℃出現在8月，而恒溫帶以上地溫在9月才達到最高值10 ℃，滯后于氣溫最高值1個月。對比地溫、氣溫測試變化趨勢可知，隨著氣溫的升降，地表溫度逐步變化，但溫度的傳播有一定的滯后效應，滯后1~2個月 左右。

圖2 現場溫度測試曲線

圖3 0.2 m深度處地溫隨時間變化曲線

進一步分析地溫測試結果，繪制8個測溫孔埋深0.2 m處地溫測試結果隨時間的變化曲線，如圖4所示。離坡面最近的測溫孔位于邊坡坡面，最遠的離坡面12.0 m，不同測溫孔全年的地溫測試結果變化趨勢相近。2016年1月至3月，不同位置地溫均在0 ℃以下，處于凍結狀態，且呈現先下降后上升的趨勢，變化范圍在?3~0 ℃之間；3月至11月，不同位置地溫均在0 ℃以上，進入融化狀態，且呈現先升高后降低的趨勢，變化范圍在0~14 ℃之間；11月至12月，不同位置地溫回歸0 ℃以下，邊坡又開始凍結狀態。說明距坡面不同位置的地溫隨氣候變化規律相近，在邊坡中凍結?融化過程每年交替進行。

圖4 不同時間地溫隨深度變化曲線

再以鄰近坡面的4號測溫孔測試結果為例，分析地溫測試值隨時間和深度的變化。如圖4所示，2016年1月27日地溫測試結果處于最低值，地下0.2 m處地溫約為?2 ℃，地下0.5 m處溫度也在?0.5 ℃左右，地下1.0 m以下溫度保持在0 ℃以上；隨著氣溫的升高，表層地溫測試結果也在逐漸升高，3月份僅地表0.2 m處地溫還處于0 ℃以下，邊坡開始進入融化期；到7月份，各深度地溫測試值均在0 ℃以上；隨后邊坡地溫開始逐漸降低，進入12月份，地表0.2 m處地溫降低至0 ℃以下，邊坡開始進入凍結期。圖4表明，凍融過程僅發生在邊坡的淺表層，凍融深度大致在0.5~1.0 m之間。

2.2 水文測試結果

各水文監測孔施工完成后，測量不同時間各個孔內地下水位變化情況。根據表1地下水埋深的監測結果可以看出，2016年2月29之后地下水水位基本上沒有太大的變化，且4號水文孔測試地下水位0 m，揭示邊坡坡面位置持續處于地表徑流狀態。根據各水文孔埋深及孔口標高可知，4號水文孔的水位高程為3 508.47 m，2號水文孔的水位高程為3 501.117 m，3號水文孔的水位高程為3 505.675 m，4號水文孔的水位高程為3 500.69 m。根據各個水文孔的水位高程確定地下水的流向，約為北偏東11°，與邊坡坡向北偏西42°夾角約53°，如圖5所示。

表1 地下水埋深

2.3 變形測試結果

在邊坡變形測試中，為確定邊坡的主要破壞方向，對測斜管和2個方向的變形值均進行了測試，疊加2個方向的測試結果即可判斷邊坡的變形值和方向。1號測斜管距坡面0.8 m，和測試方向分別平行和垂直邊坡坡向，幾何疊加測試結果后變形曲線如圖6(a)所示。從變形曲線可知，邊坡變形每個月均在緩慢增加，變形范圍集中在地表1 m范圍內，變形最大值在地表處。2016年4月14日地表變形值已達到102 mm，變形方向為北偏東8°，與坡面方向夾角為50°，與地下水流向測試結果相近。分析其原因，應是融雪下滲到邊坡表層土體時，沿地下水流動方向滲流，表層土體含水量增加，從而引起表層土蠕滑流動，流動的方向與水流有關，即變形方向與地下水流方向相關。因此，邊坡最大變形方向與地下水流向存在明顯的相關性。

根據第1節，1號測斜孔距坡面0.8 m，2號測斜孔距坡面2 m，3號測斜孔距坡面1 m，4號測斜孔距坡面4 m。對比圖6中1號~4號測斜孔深度位移曲線可知，距坡面1 m以外的2號和4號測斜孔位移曲線的最大值在10 mm以內，變形值較??；而距坡面1 m范圍內的1號和3號測斜孔最終均產生了較大的表層變形，變形值在53~102 mm之間。距坡面1 m范圍內外變形的巨大差異，證明邊坡未產生整體的滑移現象，破壞模式為近坡面的淺表層滑塌。

圖5 地下水流向示意圖

(a) 1號；(b) 2號；(c) 3號；(d) 4號

2.4 降雪與邊坡變化的關系

在觀測試驗期間，邊坡所在區域從2016年2月21日開始降下大雪，邊坡坡表積雪覆蓋，厚度達54 cm。在此之前，1月邊坡最低氣溫在－7℃左右，地表溫度也在0 ℃以下，邊坡處于凍結階段(見圖7)；降雪后，氣溫和地溫均達到最低值，但此時測斜孔測試結果未反映明顯變形情況。隨后氣溫地溫回升，表層凍結融化、積雪消融，在2月29日變形測試中，開始測到邊坡的變形情況，變形區域集中在距坡面1 m范圍內，地表變形值在70 mm左右，遠大于距坡面1 m以外范圍變形。隨著氣溫和地表溫度的持續升高，積雪逐漸消融入滲，坡面變形持續增加至102 mm，坡面已經破壞，如圖8所示，積雪消融前后，1號測斜孔位置出現明顯變化。但距坡面1 m以外的2號、4號測斜最大值僅在10 mm以內，只達到了距坡面0.8 m的1號測斜最大值的9.5%。由此可知，在凍結融化和積雪消融條件下，坡面表層1 m范圍內產生滑塌變形，邊坡的變形與降雪有直接關系。

圖7 距坡面不同位置位移曲線和溫度變化

(a) 積雪消融前邊坡形態；(b) 積雪消融后邊坡形態

2.5 綜合分析

綜合現場溫度、地下水、變形測試以及地表觀察的結果，可以分析試驗邊坡的變形破壞過程。

地溫測試表明，在一年中，邊坡表層經歷了凍融循環過程。凍融循環破壞邊坡表層土體的結構，使土體更加松散，強度降低，滲透性提高，更利于地表水入滲。降雪對邊坡有2個方面的影響，在冬季積雪階段，積雪覆蓋層充當土坡的保溫層，使邊坡內部的熱量不易散失，通過熱傳遞，邊坡內部0 ℃以上的土體促進凍結的邊坡表層解凍；在融雪階段，融雪水入滲，繼續促進表土解凍，且表土逐漸飽和，強度進一步降低，出現表層的流動蠕滑狀態，最大流滑方向與地下水流向相關。在以上因素的聯合作用下，邊坡變形的最終結果是表層土體分離、下滑，呈表層破壞狀態。這一觀察分析的結論，也得到作者同時進行的野外調查、室內模型試驗和數值分析結果的支持。

3 結論

1) 現場氣溫以及地溫測試結果表明，粗顆粒凍土邊坡不同位置的地溫與氣候變化規律相近，但凍融僅作用在邊坡的淺表層，凍融深度大致在0.5~1.0 m之間。

2) 對比分析地下水與變形測試結果發現，邊坡最大變形方向為北偏東8°，地下水的流向約為北偏東11°，邊坡最大變形方向與地下水流向測試結果相近，兩者存在明顯的相關性。

3) 現場溫度、地下水以及變形測試結果表明，在凍結融化和積雪消融條件下，試驗邊坡變形突增，直至在坡面表層1 m范圍內產生滑塌。因此，邊坡的破壞與降雪有直接關系。

4) 綜合上述分析，川西高原季節性粗顆粒凍土邊坡的破壞是在表層凍融和融雪下滲的作用下，表層土體含水量陡增甚至達到飽和狀態，土體強度急劇降低，最終導致淺表層的破壞。

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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

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題資助項目(2017G008-F)

謝強(1957– )，男，四川榮縣人，教授，從事巖體工程與特殊巖土工程研究；E?mail：civil1301@swjtu.edu.cn

(編輯 涂鵬)