張凡　劉志強(qiáng)

摘 要：總結(jié)凍土地區(qū)邊坡與常溫邊坡穩(wěn)定性影響因素、冷暖交替的外在氣候變化引起的凍土地區(qū)邊坡凍融循環(huán)的特殊性、寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究進(jìn)展以及水熱力耦合在寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究中的重要性等問題，以期為今后的邊坡穩(wěn)定性防護(hù)治理提供參考。

關(guān)鍵詞：凍土地區(qū);凍融循環(huán);凍土邊坡;邊坡穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TU445 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）29-0133-06

Research Progress of Slope Stability in Permafrost Region

ZHANG Fan LIU Zhiqiang

（School of Civil Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou Gansu 730070）

Abstract： To summarize the influencing factors of slope stability in permafrost area and normal temperature slope， the particularity of freeze-thaw cycle of slope in permafrost area caused by alternating cold and warm external climate change， the research progress of slope stability analysis method in cold area， and the importance of hydro thermal coupling in slope stability research in cold area， so as to provide reference for future design， protection and treatment.

Keywords： permafrost region;freeze thaw cycle;frozen soil slope;slope stability

邊坡土體的凍脹融沉是影響凍土地區(qū)邊坡穩(wěn)定的主要因素。在凍結(jié)過程中，未凍土體水分在凍融交界面積聚時(shí)釋放熱能，從而影響溫度場(chǎng)的變化。溫度場(chǎng)的改變使土體中產(chǎn)生溫度梯度引起水分遷移，溫度變化和水分遷移又改變了應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的分布。因此，邊坡土體的凍結(jié)和融化過程及其與周圍環(huán)境的相互作用使凍土地區(qū)邊坡的穩(wěn)定性研究面臨更大的挑戰(zhàn)。針對(duì)凍土地區(qū)邊坡與常溫邊坡相比的特殊性及國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的穩(wěn)定性分析方法做出簡(jiǎn)要綜述，希望為今后的研究提供一定的參考。

1 凍土地區(qū)邊坡的特殊性

邊坡的穩(wěn)定性不僅與結(jié)構(gòu)形態(tài)、力學(xué)特性等內(nèi)部因素有關(guān)，而且與外界因素密切相關(guān)，如在氣候條件、地下水、人類活動(dòng)、邊坡形態(tài)、地震作用與坡體植被的作用下，邊坡耐久性和抵抗力下降，最終失穩(wěn)破壞。由于寒區(qū)邊坡所處環(huán)境的復(fù)雜性，陳玉超[1]將常溫邊坡與寒區(qū)邊坡的上述影響因素進(jìn)行比較。相較于常溫邊坡，冷暖交替的外在氣候變化引起的凍融循環(huán)是影響凍土地區(qū)邊坡穩(wěn)定的特殊因素，其使得邊坡巖土體外部的水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)與巖土體相互耦合形成了熱力學(xué)動(dòng)態(tài)過程，其內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變效果明顯與常溫狀態(tài)下的邊坡不同?，F(xiàn)主要從凍土地區(qū)邊坡的凍結(jié)過程、融化過程及凍融循環(huán)過程3部分內(nèi)容來進(jìn)一步探討寒區(qū)邊坡的特殊性。

1.1 邊坡的凍結(jié)

冬凍期，溫度降低及土體水分凍結(jié)產(chǎn)生的凍脹力作用于邊坡。季節(jié)活動(dòng)層內(nèi)原本處于流動(dòng)狀態(tài)的水分在凍融界面匯聚，向坡體內(nèi)部發(fā)展。此時(shí)，溫度較高的底部土層與上部土層形成溫度梯度，土體水分向表層的凍結(jié)土層遷移。吳瑋江[2]發(fā)現(xiàn)，具有呈脈狀分布的地下水并以泉的形式排泄的邊坡，凍結(jié)作用改變了邊坡地下水排泄條件，土體水分向表層的凍結(jié)土層遷移，導(dǎo)致邊坡內(nèi)地下水位升高，土體軟化范圍增大且?guī)r土體的有效壓力降低，從而降低了邊坡穩(wěn)定性。該過程被稱為“凍結(jié)滯水效應(yīng)”，當(dāng)滯水效應(yīng)不斷積累達(dá)到一定程度，就會(huì)促進(jìn)滑坡的產(chǎn)生。

凍結(jié)邊坡還有可能發(fā)生蠕變滑坡。青藏高原屬于典型的多年凍土地區(qū)，試驗(yàn)結(jié)果表明[3]，蠕變主要在冬夏兩季發(fā)生，其發(fā)展過程可以分為兩個(gè)階段：①在邊坡凍結(jié)過程中，土體沿坡面的垂直方向凸起，而后發(fā)生融沉?xí)r沿該坡面的垂直方向下降并向下坡移動(dòng);②在邊坡融化過程中，原凍結(jié)土層的上層土體發(fā)生融化形成季節(jié)融化層，該土層在自身重力作用下順坡面垂直水平方向進(jìn)行蠕變和發(fā)育，沿著坡面的垂直方向逐步減小直至消失。長(zhǎng)期的蠕變必將造成斜坡大規(guī)模的失穩(wěn)破壞[4]。MCROBERT[5]的試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在低應(yīng)力條件下，邊坡的土體都有可能發(fā)生蠕變，且與邊坡的傾斜度大小無關(guān)。2001年，MATSUOKA N等[6]從蠕變的角度出發(fā)探究季凍區(qū)邊坡產(chǎn)生泥流失穩(wěn)的原因。研究表明，泥流的產(chǎn)生主要與外界氣溫、邊坡坡度大小和含水量有關(guān)。

1.2 邊坡的融化

氣溫回升使覆蓋在邊坡上的積雪和原凍結(jié)土層開始融化，融化層的范圍不斷擴(kuò)大直至趨于穩(wěn)定，上部融化層的水分被凍融界面阻斷無法向下部?jī)鼋Y(jié)土層滲透，降雨量增加、泥流融凍、熱侵蝕等方面的作用使凍結(jié)土體的范圍、風(fēng)化侵蝕、凍脹凍裂、冰錐體等影響因素受到阻礙，土體上部逐漸形成的季節(jié)融化層的水分又增大了其天然濕度，這為融凍泥流的發(fā)育和形成創(chuàng)造了前提條件。它是邊坡工程建設(shè)中一種獨(dú)特而又極其多變的發(fā)展過程，且多發(fā)生于局部?jī)鼋Y(jié)發(fā)展很深的多年凍土地區(qū)和季節(jié)性凍土地區(qū)[7]。例如，青藏高原風(fēng)火山斑口盆地地區(qū)的融凍泥流階地型斜坡[8]，已融土體在重力作用下沿斜坡凍融交界面向下滑移，形成由飽和狀態(tài)下的草皮苔蘚、泥沙混合物組成的泥流。

埋深較淺的厚層地下冰在自然狀態(tài)下受到外部氣溫的影響，形成冰土分界面相對(duì)隔水且抗剪強(qiáng)度極低的滑坡條件，融化土體在其重力影響下沿冰面進(jìn)行水平移動(dòng)形成滑坡，這是熱融滑塌形成的內(nèi)在因素;由于不合理取土或自然應(yīng)力侵蝕引起的厚層地下冰暴露且使坡體形成臨空面從而導(dǎo)致邊坡失去支承力，是熱融滑塌形成的外在因素。富含極厚或透鏡狀地下冰的山谷底部、盆地及平緩山坡山地區(qū)域等都是熱融滑塌的高發(fā)地段，如青藏高原內(nèi)部低山陵、風(fēng)火山、可可西里等代表性地區(qū)。靳德武[8]歸納了熱融滑塌的失穩(wěn)因素，并通過模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬推導(dǎo)了不同滲流條件下無限斜坡穩(wěn)定性分析的計(jì)算公式。王紹令等[9]發(fā)現(xiàn)熱融滑塌是多年凍土區(qū)常見的斜坡破壞形式，并提出了建筑場(chǎng)地應(yīng)盡量遠(yuǎn)離其發(fā)生位置，無法避免時(shí)應(yīng)采取措施擋住坍塌物，增加覆蓋層，人為控制其破壞。牛富俊等[10]提出熱融滑塌對(duì)工程建設(shè)的危害最為嚴(yán)重并提出防治措施，并對(duì)熱融滑塌發(fā)生的坡體地址、地質(zhì)水文和變形特點(diǎn)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)富冰凍土和土坡開挖是滑坡產(chǎn)生的根本原因，且溫度變化和坡向都會(huì)對(duì)滑坡的擴(kuò)展范圍、滑動(dòng)速率及含水量產(chǎn)生影響。

1.3 凍融循環(huán)

凍融循環(huán)使寒區(qū)土質(zhì)邊坡的結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征較常溫邊坡發(fā)生了顯著變化，主要表現(xiàn)在其孔隙率、滲透性、含水量及土壤強(qiáng)度等方面。早在1979年，CHAMBERLAIN等[11]研究發(fā)現(xiàn)凍融會(huì)導(dǎo)致土的孔隙率減小和垂直滲透率增加。QI J L等[12]發(fā)現(xiàn)，單次凍融循環(huán)會(huì)使土體的干密度和黏聚力減小，內(nèi)摩擦角增大。FERRICK M G[13]等發(fā)現(xiàn)，凍融循環(huán)對(duì)土坡作用的深度、廣度以及持久度與土坡的原始狀態(tài)、含水量有直接關(guān)系，且土坡上部土體的強(qiáng)度不斷降低直至邊坡達(dá)到臨界狀態(tài)后失穩(wěn)破壞。我國(guó)學(xué)者也在該領(lǐng)域取得了一定成就。齊吉琳等[14]以蘭州黃土和天津粉質(zhì)黏土為土樣代表，分析了凍融循環(huán)后土體的強(qiáng)度參數(shù)變化、孔隙的等效直徑、形狀參數(shù)、走向和面積的分布情況，以及凍融對(duì)強(qiáng)度改變與微觀結(jié)構(gòu)改變的聯(lián)系。馮勇等[15]對(duì)不同變量的細(xì)粒土進(jìn)行凍融循環(huán)均勻正交試驗(yàn)。結(jié)果表明，正交后的細(xì)粒土在凍融循環(huán)次數(shù)的增加下土體黏聚力c、內(nèi)摩擦角[φ]呈下降趨勢(shì)，且含水量是首要影響因素。程永春等[16]提出，增加含水率和凍融循環(huán)次數(shù)，會(huì)使邊坡滑動(dòng)破壞的臨界深度逐漸降低并趨于該地區(qū)平均最大凍結(jié)深度，并建立了切合實(shí)際的凍融循環(huán)作用下臨界深度模型。劉紅軍等[17]通過開展凍融對(duì)邊坡土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)影響的試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，黏聚力在土體最佳含水率時(shí)達(dá)到最大值，內(nèi)摩擦角與含水率呈負(fù)相關(guān)。

總結(jié)以上研究結(jié)果可以得到以下結(jié)論：土體發(fā)生凍融使內(nèi)部結(jié)構(gòu)稀疏多孔，且其間隙度也隨之增大。滲透性的增大主要是由于在凍融邊界處水分流動(dòng)，使得土體下層滲流能力加強(qiáng)。含水率與土壤溫度呈正相關(guān)，即由于溫度的升高而使土壤融化，土體的含水率也隨之增大;反之，土體含水率下降。土體的黏聚力、抗剪強(qiáng)度是邊坡工程設(shè)計(jì)中常用的參數(shù)，隨著長(zhǎng)期的凍融循環(huán)作用，土體的黏聚力、抗剪強(qiáng)度及變形模量會(huì)發(fā)生不同程度的規(guī)律性變化。

邊坡凍融滑塌主要表現(xiàn)為距坡面20～120 cm深度范圍內(nèi)的淺層滑塌，并多集中在20～70 cm。其凍融滑塌機(jī)理包括兩個(gè)方面：一是凍融循環(huán)作用下的土體重力侵蝕蠕動(dòng);二是凍結(jié)面下降形成的滑床現(xiàn)象[18]?；饕腥N表現(xiàn)形式：上部滑塌式、中部滑塌式、整體滑塌式。武鶴等[19]發(fā)現(xiàn)“水線”的存在、未凍結(jié)土體的飽和度與飽和層厚度是引起凍融滑塌的主要因素，邊坡朝向、日照時(shí)長(zhǎng)、邊坡坡度、季節(jié)降水量、土體密實(shí)度和滲透率也對(duì)滑塌現(xiàn)象的產(chǎn)生具有或多或少的影響，并解釋了“水線”的概念：前期風(fēng)化侵蝕形成的破壞面與后期沉積在其上方的土體形成的交界面。韓繼國(guó)等[20]針對(duì)季凍區(qū)邊坡凍融滑塌現(xiàn)象，總結(jié)了土體侵蝕破壞的類型和影響因素。通過對(duì)邊坡凍融滑塌失穩(wěn)的理論分析和計(jì)算，發(fā)現(xiàn)邊坡坡度接近沖刷臨界坡度時(shí)最易發(fā)生水力沖刷破壞。

在凍融循環(huán)作用下，巖質(zhì)邊坡因巖性不同使其力學(xué)特性各異且較為復(fù)雜。林戰(zhàn)舉等[21]對(duì)碎屑巖、泥巖和砂巖開展循環(huán)凍融試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)3種巖石的彈性模量、剛性模量、體積模量、泊松比等力學(xué)特性隨著循環(huán)凍融次數(shù)增加而下降，且泊松比出現(xiàn)負(fù)值;孔隙率較高的泥巖和砂巖的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)下降速度更快，且?guī)r石抗壓強(qiáng)度與循環(huán)凍融次數(shù)呈負(fù)相關(guān)。聞磊等[22]對(duì)花崗斑巖、灰?guī)r、石英砂巖進(jìn)行凍融過程的模擬試驗(yàn)，研究并繪制了凍融次數(shù)與試樣抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、凍融系數(shù)的擬合關(guān)系曲線。王樂華等[23]發(fā)現(xiàn)隨著凍融次數(shù)增加，層理砂巖的強(qiáng)度減小且真空后飽和砂巖的劣化程度更大。徐拴海等[24]開展了飽和砂巖的凍融循環(huán)試驗(yàn)。結(jié)果表明，巖樣的微裂隙率、質(zhì)量和飽和含水率等物理性質(zhì)指標(biāo)與凍融循環(huán)次數(shù)呈正相關(guān)。

盡管各個(gè)學(xué)者的研究結(jié)果略有差異，但仍可以得到以下結(jié)果：巖石經(jīng)歷不同的凍融次數(shù)后表面會(huì)產(chǎn)生微細(xì)裂紋。孔隙率越大，巖石破壞越嚴(yán)重，其質(zhì)量變化率越高，這是由水分的補(bǔ)充、水分和固體顆粒的缺失導(dǎo)致的。對(duì)于孔隙率較低且顆粒致密的巖石，其質(zhì)量變化率主要由水分缺失和補(bǔ)給引起。

表層崩塌是巖質(zhì)邊坡在凍融循環(huán)作用下表現(xiàn)出的破壞模式，主要發(fā)生于含有縱橫交錯(cuò)的裂隙且含水量較高的巖質(zhì)邊坡。巖體本身的破碎特性，再加上水轉(zhuǎn)化成冰的凍脹力超過巖體強(qiáng)度，使其產(chǎn)生裂縫進(jìn)而更加破碎，坡體表面的巖塊會(huì)剝離崩落。融化過程中，這種變形不能完全恢復(fù)，坡體水分沿巖石體的裂縫不斷滲入，從而加劇了巖石內(nèi)部的縮脹、損傷開裂及薄弱層軟化等一系列物理、力學(xué)的交替變化。在長(zhǎng)期冷暖交替的凍融循環(huán)過程中，大多數(shù)高、陡的巖土體的力學(xué)特性逐漸降低，裂隙不斷擴(kuò)展貫通，最終形成崩塌。楊更社等[25]利用CT掃描分析凍融循環(huán)條件下的巖石損傷擴(kuò)展特性，將凍融循環(huán)次數(shù)和巖石的損傷變量聯(lián)系起來，建立了較為真實(shí)的巖石損傷擴(kuò)展本構(gòu)關(guān)系。劉成禹等[26]以花崗巖為試樣進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)對(duì)巖體強(qiáng)度、剛度及變形特性均有較大影響，損傷擴(kuò)展的機(jī)理是裂隙增大、增多或發(fā)生擴(kuò)展，從而使巖石強(qiáng)度、剛度降低，變形增大。

2 凍土地區(qū)邊坡的穩(wěn)定性分析

中國(guó)幅員遼闊，寒區(qū)面積約占國(guó)土面積的30%。相對(duì)一般地區(qū)而言，寒區(qū)巖土體受溫度影響，在凍脹、融沉的作用下，地質(zhì)環(huán)境脆弱，常發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失，甚至是人員傷亡。因此，明確邊坡的穩(wěn)定性，對(duì)邊坡進(jìn)行合理防護(hù)，有助于防災(zāi)減災(zāi)。隨著技術(shù)手段不斷發(fā)展，對(duì)邊坡穩(wěn)定性的分析已經(jīng)不再局限于定性分析，定量分析以及一些較為前沿的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析方法如室內(nèi)巖土體力學(xué)試驗(yàn)、邊坡物理模型、原位試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法被廣泛應(yīng)用于寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性分析。

2.1 定性分析法

邊坡的定性分析是早期邊坡穩(wěn)定性分析的重要方法之一，見表1。但這類方法使用的局限性較大，如工程類比法是通過對(duì)比已有的邊坡資料，類比到研究對(duì)象，從而進(jìn)行邊坡的穩(wěn)定性評(píng)判，對(duì)研究人員的工程經(jīng)驗(yàn)要求較高[27]。與常規(guī)邊坡相比，寒區(qū)邊坡受到凍土的特殊力學(xué)性質(zhì)的影響，會(huì)出現(xiàn)凍脹、融沉等現(xiàn)象。因此，邊坡穩(wěn)定性的定性分析方法不能夠準(zhǔn)確給出受環(huán)境中水-熱-力作用過程中的穩(wěn)定性和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)[28]。

2.2 定量分析法

極限平衡法是最早也是最為完善的邊坡定量分析方法，如瑞典圓弧法（Fellenius法）、Bishop法、Janbu法、Sarma法、Spencer法、Morgenstern-Price法等，在我國(guó)邊坡穩(wěn)定量評(píng)價(jià)工作中應(yīng)用廣泛[29]。在采用極限平衡法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，通常會(huì)給出滑動(dòng)面，其目的是確定滑動(dòng)面處于極限平衡狀態(tài)時(shí)巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度，從而計(jì)算邊坡的安全系數(shù)，以安全系數(shù)的大小來評(píng)判邊坡是否穩(wěn)定。盡管極限平衡法是常溫邊坡穩(wěn)定性分析的可靠手段，但在應(yīng)用時(shí)由人為假定條塊之間的作用力方向和位置，對(duì)于由復(fù)雜介質(zhì)和邊界組成的寒區(qū)邊坡，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相比有很大誤差，無法考慮坡體中的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)。在計(jì)算時(shí)，僅考慮土體中的作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，溫度降低引起土體中水分的凍結(jié)從而產(chǎn)生的凍脹力，是極限平衡法沒有考慮的。在分析寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性時(shí)，必須考慮溫度場(chǎng)的影響，即溫度-水分-應(yīng)力的相互影響。

模糊綜合評(píng)判法是不確定分析方法的一種，是由汪培莊[30]提出的，這種方法可分析受不同因素影響的研究對(duì)象，如寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性受邊坡的幾何形態(tài)、工程地質(zhì)條件等因素的影響。其是將不同因素按照模糊數(shù)學(xué)的方法賦以隸屬度，再通過模糊變換和最隸屬度的計(jì)算，對(duì)研究對(duì)象的等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[31]。武鶴等[32]基于模糊理論，對(duì)一寒區(qū)路塹邊坡進(jìn)行了邊坡穩(wěn)定性等級(jí)評(píng)價(jià)，對(duì)比了坡高、坡角、植被發(fā)育情況、巖體結(jié)構(gòu)等16個(gè)影響因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性的控制作用，其結(jié)果可為寒區(qū)的邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。該方法能夠評(píng)判邊坡穩(wěn)定性等級(jí)，然后依照等級(jí)劃分來確定邊坡的穩(wěn)定性。但是在這一過程中，研究人員存在經(jīng)驗(yàn)性與主觀性，且寒區(qū)邊坡較常溫邊坡相比，影響其穩(wěn)定性的因素更為復(fù)雜，這就導(dǎo)致在評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性時(shí)可能存在被忽視的影響因素。

2.3 室內(nèi)試驗(yàn)

隨著試驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)，室內(nèi)試驗(yàn)在邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中發(fā)揮著越來越大的作用。評(píng)價(jià)邊坡最基礎(chǔ)的工作即對(duì)邊坡的物質(zhì)組成進(jìn)行定量和定性分析。相對(duì)于傳統(tǒng)的物理力學(xué)試驗(yàn)而言，寒區(qū)巖土體在溫度變化過程中，其物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)隨著凍融作用而發(fā)生變化[33]，進(jìn)而影響邊坡的穩(wěn)定性。但僅僅通過巖土體的物理力學(xué)試驗(yàn)無法評(píng)價(jià)寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性，這類試驗(yàn)結(jié)果可作為其他評(píng)價(jià)方法的基礎(chǔ)，如極限平衡法、數(shù)值計(jì)算法等。相對(duì)于室內(nèi)巖土體試驗(yàn)，邊坡物理模型對(duì)評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性具有重要意義，該方法能夠以較小的場(chǎng)地進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，同時(shí)可以施加不同的荷載、溫度、降水條件等，較好地模擬邊坡變形破壞特征，為評(píng)價(jià)寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性提供參考依據(jù)[34]。但是較小的試驗(yàn)場(chǎng)地?zé)o法滿足實(shí)際工程的空間尺度，且試驗(yàn)時(shí)間同樣無法滿足實(shí)際工程的時(shí)間需求，因而該方法用于評(píng)價(jià)寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性具有一定局限性，所得的結(jié)果可能與實(shí)際具有較大的偏差。

2.4 原位試驗(yàn)

相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)而言，原位試驗(yàn)?zāi)軌蚪档蛯?duì)邊坡巖土體的擾動(dòng)，同時(shí)滿足實(shí)際工程的空間尺度與時(shí)間尺度需求，無疑是評(píng)價(jià)邊坡穩(wěn)定性的可靠方法。趙雨霞等[35]在凍土試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究?jī)鋈趯?duì)季凍土區(qū)植被邊坡的侵蝕性，為寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供了參考。蔡忍等[36]對(duì)中國(guó)東北地區(qū)砂土岸坡采取生態(tài)防護(hù)，并對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。盡管這類試驗(yàn)?zāi)軌虺浞衷u(píng)價(jià)邊坡的穩(wěn)定性，但也存在著不足之處，如現(xiàn)場(chǎng)的原位試驗(yàn)需要較多資金支持，且需要較大的人力進(jìn)行維護(hù)，對(duì)規(guī)模較小的工程而言，增加的工程成本會(huì)顯著提高。

2.5 數(shù)值分析方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值分析方法得到廣泛應(yīng)用，如有限元法、邊界元法、離散元法、有限差分法等。上述邊坡的穩(wěn)定性分析方法對(duì)比見表2。這些數(shù)值計(jì)算方法能夠計(jì)算出邊坡的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，且各類計(jì)算軟件均支持二次開發(fā)，能夠進(jìn)行多物理場(chǎng)的耦合計(jì)算，是分析邊坡穩(wěn)定性的可靠方法之一。由于寒區(qū)工程受溫度的影響，破壞受溫度-水分-應(yīng)力三場(chǎng)的耦合作用影響，在周期性溫度變化中，土體發(fā)生水分遷移和凍脹融沉引起變形。而變形這一過程強(qiáng)烈時(shí)，容易引起邊坡失穩(wěn)破壞，如鼓脹、隆起、失穩(wěn)滑塌等[37]。通過水熱力三場(chǎng)的耦合計(jì)算，能夠很好地解決定量、定性分析中無法考慮水熱對(duì)變形影響的不足之處。

近年來，GeoStudio、Abaqus、Comsol、Flac3D等軟件被廣泛應(yīng)用于寒區(qū)邊坡工程的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)工作當(dāng)中[38]。武建軍等[39]建立了飽和土的水熱力耦合模型，通過數(shù)值計(jì)算方法，研究了土體中水分凍結(jié)、土體不同位置的含水率變化情況。結(jié)果表明，水分遷移使得水分聚集的部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，進(jìn)而引起凍脹。徐軼等[40]借助Comsol對(duì)三維滲流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，綜合考慮了滲流溫度應(yīng)力的耦合作用，建立了水熱力耦合數(shù)值模型。李國(guó)峰等[41]推導(dǎo)了寒區(qū)巖體含相變的溫度場(chǎng)-滲流場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)三場(chǎng)耦合簡(jiǎn)化算法，通過Flac3D對(duì)室內(nèi)巖樣力學(xué)試驗(yàn)仿真驗(yàn)證了該算法的正確性。陳益峰等[42]通過建立巖土固-液-氣三相THM完全耦合模型，深化了對(duì)多相流THM全耦合控制方程組、本構(gòu)關(guān)系及計(jì)算參數(shù)特性的理解，奠定了進(jìn)一步研究THMC全耦合問題的基礎(chǔ)。何敏等[43]構(gòu)建了3GEXFEM軟件用于巖土體中水熱力三場(chǎng)耦合作用分析，該模型充分考慮了土體骨架、未凍水、冰三相介質(zhì)的水熱力耦合作用，分析的結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，該模型在分析水熱力耦合作用中具有較好的應(yīng)用前景。

在上述水熱力耦合的相關(guān)研究中，取得的成果均表明，作為一個(gè)內(nèi)部作用錯(cuò)綜復(fù)雜的整體，寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性分析需要考慮凍結(jié)與融化作用，從溫度變化、水的滲流、應(yīng)力作用三者耦合的角度進(jìn)行分析，以便按照邊坡實(shí)際的受力變形狀態(tài)來進(jìn)行數(shù)值模擬研究，即考慮到外界氣溫變化對(duì)邊坡的影響，以實(shí)際氣溫變化為依據(jù)，做相應(yīng)的坡體內(nèi)部溫度場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)以及凍脹變形等分析，最終得出邊坡的穩(wěn)定性分析等相關(guān)結(jié)論。 因此，評(píng)價(jià)寒區(qū)邊坡穩(wěn)定時(shí)，單獨(dú)考慮某一個(gè)或兩個(gè)因素，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性分析均存在不足之處。只有通過建立水熱力三場(chǎng)的耦合模型，才能夠充分評(píng)價(jià)寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)語

本文主要闡述了凍土地區(qū)邊坡與常溫邊坡穩(wěn)定性影響因素、冷暖交替的外在氣候變化引起的凍土地區(qū)邊坡凍融循環(huán)的特殊性、邊坡穩(wěn)定性分析方法的研究進(jìn)展以及水熱力耦合在寒區(qū)邊坡穩(wěn)定性研究中的重要性這3部分內(nèi)容。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)此做了大量的深入研究，也取得了重大成就，但仍存在以下問題需要進(jìn)一步探究。

①凍土地區(qū)邊坡與常溫邊坡相較而言，其成分、結(jié)構(gòu)、物理力學(xué)特性以及周期性冷暖交替的外在氣候變化使其失穩(wěn)機(jī)理的復(fù)雜特殊性仍需深入探討。

②寒區(qū)邊坡失穩(wěn)與土體的凍脹、融沉作用息息相關(guān)，僅僅計(jì)算邊坡的安全系數(shù)、變形對(duì)寒區(qū)邊坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。

③寒區(qū)邊坡巖土體的研究?jī)?nèi)容要貼近實(shí)際工程建設(shè)中凍土變形和破壞的物理學(xué)原理，但凍土各個(gè)組分之間物理-化學(xué)相互作用的多樣性和復(fù)雜性尚未完全明確。

④目前的凍土水熱力耦合模型尚未考慮溫度、土體水分、應(yīng)力與水熱力特征參數(shù)之間的相互作用。寒區(qū)邊坡的水分場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的耦合是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過程，在凍融過程中土體的各項(xiàng)物理參數(shù)都會(huì)發(fā)生變化。因此，只有充分了解巖土體中水熱力之間的相互影響，對(duì)凍土各個(gè)水熱力參數(shù)深入研究，才能夠“因病施藥”，從根源上控制影響邊坡失穩(wěn)的因素。

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