浅析影响季节冻土边坡稳定性的因素有哪些
【关键词】：冻土,边坡稳定,冻融循环,抗剪强度
前言
全球多年冻土分布的总面积约占陆地面积的25%，包括季节冻土在内冻土面积可达到50%。中国的冻土分布主要在东北、松辽平原及青藏高原和西部高山区，占国土面积的22.4%。可见，寒区的工程建设和资源的开发利用在我国国民经济中占有相当重要的位置。
边坡作为岩土工程中常见的构筑物形式，在严寒地区的工程建设中也有其特有的工程背景和不可替代的工程意义。正确的分析和处理各类边坡问题，保证边坡稳定性和工程设计的可靠性，是寒冷地区基础工程面临的一个很重要课题。
我们在研究冻土参数的空间变异时，先要研究的是冻土参数的空间影响因素，一般情况下，冻土物理力学参数试验是相当离散的结果。主要原因，一是由于冻土体本身的不均匀性，第二，也和技术及试验手段都有一定关系。因此，怎样恰当的控制冻土参数的影响因素对边坡可靠度计算是非常重要的，在实际的工程中，影响冻土参数变化主要因素有很多种。主要有：温度场、水分场、应立场、盐分场及动力特性等。
寒区边坡稳定性主要影响因素：可分为内部因素和外部因素，内部因素包括：组成岩土体的类型及其性质、边坡形态、地下水等;外部因素包括：坡体植被、气候条件(降雨、气温变化)、人类工程活动等。
冻融循环对寒区边坡的影响：冻融的反复作用，将影响寒区边坡的稳定性，表层崩塌的破坏模式是岩石边坡长期冻融作用的主要表现形式。岩石边坡破坏主要是因为地形、地址等内在因素和降雨、热变形以及冻融作用等外在因素相互作用的结果。
冻融循环对岩质边坡的影响：在严寒的冬天岩石崩塌事故是比较少的，原因是在低温下岩石强度比常温情况要高。同时低温情况下地下水及地表水的活动都受到限制。进入融化期，积雪和冻结岩石发生融化，岩石崩塌容易发生。这些地区岩石边坡主要表现为表层破坏，对于高含水量，含大量软弱结构面的岩体，这种作用表现很明显。当然，也有较大规模的滑坡，这主要是由于岩石边坡表层冻结造成地下水位上升，裂隙面上水压力增加，从而诱发边坡破坏。岩石边坡暴露于空气中，当气温低于零度时，边坡表层开始冻结，形成冻结面，随着气温的进一步降低及持续时间的延长，冻结面逐渐向内部延伸，由于水分有向冻结面移动的趋势，边坡内部水分通过裂隙或空隙向冻结面移动，造成冻结面上含水量的饱和度增加，当饱和度增加到一定程度时，由水转化成冰产生的膨胀力超过岩石强度，裂缝就产生，造成岩石强度降低。
总之，长期反复的冻融作用使得边坡稳定性降低，产生崩塌，如果结合地形和地下水等条件，也可能诱发大规模的边坡破坏。
冻融循环对土质边坡的影响：冻土通过改变土的结构性从而使其垂直方向的渗透性增大。对于密实土，冻结土融化后，相变界面附近的含水量增大。经过冻融循环，土的变形模量都会有大幅度的降低，细粒越多降低幅度越大。
边坡在融化的过程中，土体的含水量增大，强度降低，在夏季，降雨量的集中同样增大了坡体含水量;多年的冻融循环，对边坡，尤其是新形成的人工边坡，上部土体由于水分迁移而含水量增大。而土体在冻融的过程中渗透性增大，将使得更多的水分渗入边坡，上部土体达到饱和甚至过饱和状态。多种因素的综合利用，降低了寒区土质边坡的稳定性。
季节冻土热融滑塌的机理分析
当活动层的冻土融化后,坚硬的岩土块体和液状泥浆组成了液固混合物,这种物质抗剪强度很低或无抗剪强度,容易产生大致平行于坡面的滑动面;由于热融滑塌的物质为融流体,因而在很缓的斜坡上也可能发生滑塌的现象,其滑塌物质的运动轨迹如图所示。热融滑塌失稳因素可以归结为:
(1)内在因素。厚层地下冰的存在,且埋藏深度较浅,易受地表气温的变化的影响;
(2)诱发因素。不良人为干扰引起的厚层冰的暴露,且使坡体形成临空面而使其失去支承力。
影响因素：冻融交界面的影响，夏秋季强降雨的影响。
冻融交界面的影响：
从地基土的抗剪强度来看,暖季冻融交界面(天然上限附近)的抗剪强度较小。同时,从监测的水平位移量变化特征来看,水平位移主要发生在人为上限以上的土体,而人为上限以下土体的位移量很小,确定冻融交界面为潜在滑移面。这个界面是随季节变化的面,在暖季(9~10月),界面埋深最大,严冬时,界面可到地表。多年冻土区的地质模型,不是一般意义上的岩性分层或力学分层,而是以融化层和冻结层交界面,作为分层依据,将土体分为“一元”或“二元”结构。依据冻融界面位置和活动层的地温特征将冻土路基划分为4个不同时期:冬季严寒期(1~2月)、春夏融化活动期(3~8月)、夏秋最大融深期(9~10月)及回冻活动期(11~12月)。冻融交界面的水分在一年四季中是变化的,每年4月初地表开始融化,冻结层上水开始形成,此时,冻结层上水向下垂直渗透,直至当前时刻的冻融锋面,而下覆的冻土为隔水层,水分将在交界面上富集;每年的9月下旬(路基体的时间为每年的10月中下旬)达到最大融化深度,即为多年冻土天然上限(路基为人为上限),冻结层上水的运行方向开始由垂直运移变化沿冻融交界面的形态渗流;每年的11月上旬,多年冻土的活动层开始双向冻结,下层冻融锋面(人限附近)由于融土和冻土存在电位差,因而水分都向冻结锋面聚集。多年冻土由于自由水的参与,改变了土质骨架的组构,同时,水分在冻融交界面起着润滑作用,从而大大降低了该位置土体的强度。
夏秋季强降雨的影响
降雨使土体含水量增高,从而降低了冻土的强度。同时由于降雨,使得冻土路基中的水压力进行重分布,改变了路基土和地基土的抗剪强度。同时,冻土中雨水的渗入,也影响着冻土路基的热平衡,相当于把地表热量带入到边坡内部。安全系数与大气降水的关系,在负温季节,冻结的活动层和多年冻土层相衔接,斜坡稳定性系数具有很高的数值。在正温季节,土层由上往下融化,并且随着解冻厚度的增加稳定性系数逐渐降低。在夏末达到最低值。在不同的年度,这一最低值的大小取决于夏季的气温及持续时间。在这一地区,温度是斜坡稳定性的决定因素,同时,其稳定性系数也与土层中水分迁移变化有关。叶米里扬诺娃考虑彼乔拉河河口的安全系数与降雨的关系见图：
结语：季节冻土边坡稳定性是建筑护坡施工中潜在的不安全隐患，需要对其进行分析和评价，从而判断需要进行何种工程措施。由于季节冻土的特殊性，季节冻土的边坡稳定性评估有别于其他普通边坡。设计与施工工作人员应根据实际情况建立冻土边坡极限平衡稳定性评价分析。
参考文献：
1、建筑地基基础设计规范GB50007-2011
2、姚耀武、陈东伟，土坡稳定可靠度分析，岩土工程学报 VOL.16.1994
3、周幼吾，郭东信等，中国冻土，北京：科学出版社，2000
本文选自《科学技术与工程》。 《科学技术与工程》是中国科协主管，中国技术经济学会主办的学术性期刊。2001年创刊，半月刊，期刊号：CN11-4688/T，ISSN1671-1815。
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