淺析影響季節(jié)凍土邊坡穩(wěn)定性的因素有哪些
【關(guān)鍵詞】：凍土,邊坡穩(wěn)定,凍融循環(huán),抗剪強度
前言
全球多年凍土分布的總面積約占陸地面積的25%，包括季節(jié)凍土在內(nèi)凍土面積可達到50%。中國的凍土分布主要在東北、松遼平原及青藏高原和西部高山區(qū)，占國土面積的22.4%。可見，寒區(qū)的工程建設(shè)和資源的開發(fā)利用在我國國民經(jīng)濟中占有相當(dāng)重要的位置。
邊坡作為巖土工程中常見的構(gòu)筑物形式，在嚴(yán)寒地區(qū)的工程建設(shè)中也有其特有的工程背景和不可替代的工程意義。正確的分析和處理各類邊坡問題，保證邊坡穩(wěn)定性和工程設(shè)計的可靠性，是寒冷地區(qū)基礎(chǔ)工程面臨的一個很重要課題。
我們在研究凍土參數(shù)的空間變異時，先要研究的是凍土參數(shù)的空間影響因素，一般情況下，凍土物理力學(xué)參數(shù)試驗是相當(dāng)離散的結(jié)果。主要原因，一是由于凍土體本身的不均勻性，第二，也和技術(shù)及試驗手段都有一定關(guān)系。因此，怎樣恰當(dāng)?shù)目刂苾鐾羺?shù)的影響因素對邊坡可靠度計算是非常重要的，在實際的工程中，影響凍土參數(shù)變化主要因素有很多種。主要有：溫度場、水分場、應(yīng)立場、鹽分場及動力特性等。
寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性主要影響因素：可分為內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素包括：組成巖土體的類型及其性質(zhì)、邊坡形態(tài)、地下水等;外部因素包括：坡體植被、氣候條件(降雨、氣溫變化)、人類工程活動等。
凍融循環(huán)對寒區(qū)邊坡的影響：凍融的反復(fù)作用，將影響寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性，表層崩塌的破壞模式是巖石邊坡長期凍融作用的主要表現(xiàn)形式。巖石邊坡破壞主要是因為地形、地址等內(nèi)在因素和降雨、熱變形以及凍融作用等外在因素相互作用的結(jié)果。
凍融循環(huán)對巖質(zhì)邊坡的影響：在嚴(yán)寒的冬天巖石崩塌事故是比較少的，原因是在低溫下巖石強度比常溫情況要高。同時低溫情況下地下水及地表水的活動都受到限制。進入融化期，積雪和凍結(jié)巖石發(fā)生融化，巖石崩塌容易發(fā)生。這些地區(qū)巖石邊坡主要表現(xiàn)為表層破壞，對于高含水量，含大量軟弱結(jié)構(gòu)面的巖體，這種作用表現(xiàn)很明顯。當(dāng)然，也有較大規(guī)模的滑坡，這主要是由于巖石邊坡表層凍結(jié)造成地下水位上升，裂隙面上水壓力增加，從而誘發(fā)邊坡破壞。巖石邊坡暴露于空氣中，當(dāng)氣溫低于零度時，邊坡表層開始凍結(jié)，形成凍結(jié)面，隨著氣溫的進一步降低及持續(xù)時間的延長，凍結(jié)面逐漸向內(nèi)部延伸，由于水分有向凍結(jié)面移動的趨勢，邊坡內(nèi)部水分通過裂隙或空隙向凍結(jié)面移動，造成凍結(jié)面上含水量的飽和度增加，當(dāng)飽和度增加到一定程度時，由水轉(zhuǎn)化成冰產(chǎn)生的膨脹力超過巖石強度，裂縫就產(chǎn)生，造成巖石強度降低。
總之，長期反復(fù)的凍融作用使得邊坡穩(wěn)定性降低，產(chǎn)生崩塌，如果結(jié)合地形和地下水等條件，也可能誘發(fā)大規(guī)模的邊坡破壞。
凍融循環(huán)對土質(zhì)邊坡的影響：凍土通過改變土的結(jié)構(gòu)性從而使其垂直方向的滲透性增大。對于密實土，凍結(jié)土融化后，相變界面附近的含水量增大。經(jīng)過凍融循環(huán)，土的變形模量都會有大幅度的降低，細(xì)粒越多降低幅度越大。
邊坡在融化的過程中，土體的含水量增大，強度降低，在夏季，降雨量的集中同樣增大了坡體含水量;多年的凍融循環(huán)，對邊坡，尤其是新形成的人工邊坡，上部土體由于水分遷移而含水量增大。而土體在凍融的過程中滲透性增大，將使得更多的水分滲入邊坡，上部土體達到飽和甚至過飽和狀態(tài)。多種因素的綜合利用，降低了寒區(qū)土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性。
季節(jié)凍土熱融滑塌的機理分析
當(dāng)活動層的凍土融化后,堅硬的巖土塊體和液狀泥漿組成了液固混合物,這種物質(zhì)抗剪強度很低或無抗剪強度,容易產(chǎn)生大致平行于坡面的滑動面;由于熱融滑塌的物質(zhì)為融流體,因而在很緩的斜坡上也可能發(fā)生滑塌的現(xiàn)象,其滑塌物質(zhì)的運動軌跡如圖所示。熱融滑塌失穩(wěn)因素可以歸結(jié)為:
(1)內(nèi)在因素。厚層地下冰的存在,且埋藏深度較淺,易受地表氣溫的變化的影響;
(2)誘發(fā)因素。不良人為干擾引起的厚層冰的暴露,且使坡體形成臨空面而使其失去支承力。
影響因素：凍融交界面的影響，夏秋季強降雨的影響。
凍融交界面的影響：
從地基土的抗剪強度來看,暖季凍融交界面(天然上限附近)的抗剪強度較小。同時,從監(jiān)測的水平位移量變化特征來看,水平位移主要發(fā)生在人為上限以上的土體,而人為上限以下土體的位移量很小,確定凍融交界面為潛在滑移面。這個界面是隨季節(jié)變化的面,在暖季(9~10月),界面埋深最大,嚴(yán)冬時,界面可到地表。多年凍土區(qū)的地質(zhì)模型,不是一般意義上的巖性分層或力學(xué)分層,而是以融化層和凍結(jié)層交界面,作為分層依據(jù),將土體分為“一元”或“二元”結(jié)構(gòu)。依據(jù)凍融界面位置和活動層的地溫特征將凍土路基劃分為4個不同時期:冬季嚴(yán)寒期(1~2月)、春夏融化活動期(3~8月)、夏秋最大融深期(9~10月)及回凍活動期(11~12月)。凍融交界面的水分在一年四季中是變化的,每年4月初地表開始融化,凍結(jié)層上水開始形成,此時,凍結(jié)層上水向下垂直滲透,直至當(dāng)前時刻的凍融鋒面,而下覆的凍土為隔水層,水分將在交界面上富集;每年的9月下旬(路基體的時間為每年的10月中下旬)達到最大融化深度,即為多年凍土天然上限(路基為人為上限),凍結(jié)層上水的運行方向開始由垂直運移變化沿凍融交界面的形態(tài)滲流;每年的11月上旬,多年凍土的活動層開始雙向凍結(jié),下層凍融鋒面(人限附近)由于融土和凍土存在電位差,因而水分都向凍結(jié)鋒面聚集。多年凍土由于自由水的參與,改變了土質(zhì)骨架的組構(gòu),同時,水分在凍融交界面起著潤滑作用,從而大大降低了該位置土體的強度。
夏秋季強降雨的影響
降雨使土體含水量增高,從而降低了凍土的強度。同時由于降雨,使得凍土路基中的水壓力進行重分布,改變了路基土和地基土的抗剪強度。同時,凍土中雨水的滲入,也影響著凍土路基的熱平衡,相當(dāng)于把地表熱量帶入到邊坡內(nèi)部。安全系數(shù)與大氣降水的關(guān)系,在負(fù)溫季節(jié),凍結(jié)的活動層和多年凍土層相銜接,斜坡穩(wěn)定性系數(shù)具有很高的數(shù)值。在正溫季節(jié),土層由上往下融化,并且隨著解凍厚度的增加穩(wěn)定性系數(shù)逐漸降低。在夏末達到最低值。在不同的年度,這一最低值的大小取決于夏季的氣溫及持續(xù)時間。在這一地區(qū),溫度是斜坡穩(wěn)定性的決定因素,同時,其穩(wěn)定性系數(shù)也與土層中水分遷移變化有關(guān)。葉米里揚諾娃考慮彼喬拉河河口的安全系數(shù)與降雨的關(guān)系見圖：
結(jié)語：季節(jié)凍土邊坡穩(wěn)定性是建筑護坡施工中潛在的不安全隱患，需要對其進行分析和評價，從而判斷需要進行何種工程措施。由于季節(jié)凍土的特殊性，季節(jié)凍土的邊坡穩(wěn)定性評估有別于其他普通邊坡。設(shè)計與施工工作人員應(yīng)根據(jù)實際情況建立凍土邊坡極限平衡穩(wěn)定性評價分析。
參考文獻：
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2、姚耀武、陳東偉，土坡穩(wěn)定可靠度分析，巖土工程學(xué)報 VOL.16.1994
3、周幼吾，郭東信等，中國凍土，北京：科學(xué)出版社，2000
本文選自《科學(xué)技術(shù)與工程》。 《科學(xué)技術(shù)與工程》是中國科協(xié)主管，中國技術(shù)經(jīng)濟學(xué)會主辦的學(xué)術(shù)性期刊。2001年創(chuàng)刊，半月刊，期刊號：CN11-4688/T，ISSN1671-1815。
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