副高论文发表季节冻土区边坡冻融稳定性

　　本篇副高论文发表对季节冻土区边坡冻融稳定性进行分析，本文的研究对有效解决寒区筑路技术的棘手难题、避免或减轻道路冻融病害无疑具有极其重要的现实意义。《土木建筑与环境工程》(原《重庆建筑大学学报》)1957年创刊，是重庆大学主办的建筑工程类学术刊物(双月刊)，主要反映土木工程、市政与环境工程、暖通工程与建筑物理、建筑材料等学科领域的最新理论科研、工程应用成果，促进学术交流，培育土木建筑和环境科学人才，推动建筑学科发展繁荣。

　　随着西部大开发和振兴东北战略的实施，季节冻土区的基础设施建设将得到很大的发展，然而，季节冻土区边坡的冻融灾害是制约季节冻土去工程建设的主要问题之一。基于有限单元法，建立了季节冻土区边坡冻融稳定性的数值模拟途径，以东北某一路堑边坡为背景，对初始含水量和冻结负温对融化过程中季节冻土区边坡稳定性的影响进行定量分析。研究表明，土的初始含水量越大、冻结温度越低，边坡冻融稳定性越差。分析成果可进一步充实季节冻土区边坡冻融稳定性的研究内容，对工程实践提供一定指向作用。

　　关键词：季节冻土区;边坡稳定性;数值模拟

　　我国是世界第三冻土大国，季节冻土面积约占国土面积的535%，多年冻土面积约占国土面积的215%[1]。由于经济与国防建设的需要，我国在季节冻土区的开展了一大批基础设施建设，主要包括东北地区的中俄输油管道工程、哈尔滨至大连的高速铁路工程、301国道等。目前，我国现有三分之二以上干线交通位于季节冻土区。随着西部大开发和振兴东北战略的实施，季节冻土区的基础设施建设将得到更大的发展，然而，季节冻土区边坡的冻融灾害是制约季节冻土去工程建设的主要问题之一。目前，我国的科研工作者对常温地区的边坡稳定性问题进行了深入的研究，取得了丰硕的成果，但是针对季节冻土区边坡的研究很少且资料分散，致使理论研究严重滞后于工程实践[25]。因此，季节冻土区边坡冻融稳定性研究迫在眉睫。

　　鉴于上述，本文根据季节冻土区边坡春融期易发生滑坡的现象，基于有限单元法建立了季节冻土区边坡冻融稳定性的数值模拟途径，以哈同公路某一路堑边坡为背景，对初始含水量和冻结负温对融化过程中季节冻土区边坡稳定性的影响进行定量分析，并对计算结果进行了讨论。

　　1季节冻土区边坡的数值分析

　　1.1条件简化

　　(1) 土体为各向同性均质体。由于中国东北季节冻土区自然地形无大的起伏，因而自然边坡和人工边坡的规模均不算大，加之盆地内部各地第四系沉积变化较小，故此同一边坡中土体一般为各向同性的均质体，所以这种简化假定基本合理。

　　(2) 土体中无盐分影响。由于中国东北盐分含量较高的季节冻土均分布于油田及其附近地区，而这些地区基本无边坡，存在边坡地区的土体中盐分含量一般很低，所以这种简化假定基本合理。

　　(3)不考虑地下水动水压力与静水压力的影响，并且无边界水份补给与排泄。

　　(4) 按照平面应变问题处理。由于一般边坡的横剖面较纵剖面尺寸小得多，所以这种简化假定基本合理。

　　1.2本构关系的选取

　　边坡冻融稳定与失稳破坏的关键在于土的抗剪强度，而土的初始含水量、冻结温度直接强烈影响冻土的抗剪强度，当土的最大剪应力达到破坏极限时，边坡便失稳破坏。鉴于此，采用以MohrCoulomb屈服准则为破坏准则的弹-塑性模型刻画土的本构行为。

　　1.3边坡稳定性判据

　　边坡稳定性安全系数定义如下：

　　Fs=[SX(]τf[]τM[SX)][JY](1)

　　式中：Fs为安全系数;τf土的实际抗剪强度;τM为土临界状态下的最大抗剪强度。

　　引入MohrCoulomb屈服条件，则安全系数可改写如下：

　　Fs=[SX(]c+σntanφ[]cc+σntanφc[SX)][JY](2)

　　式中：c为土的实际凝聚力;φ为土的实际内摩擦角;cc为土临界状态下凝聚力;φc为土临界状态下内摩擦角;σn为实际法向应力。

　　以坡体中塑性区贯通及特征结点位移突变的综合考虑，作为边坡冻融稳定性的评价判据。

　　1.4计算模型与网格划分

　　基于中国东北季节冻土区某一公路路堑边坡算例，阐述有限单元数值模拟方法在边坡冻融稳定性分析中的具体应用。算例边坡为一匀质的粉质黏土边坡，计算剖面见图1，坡高H=20 m、坡度β=45°。计算域分为冻融区与非冻土区，由8结点等参四边形单元剖分计算域。采用位移约束边界条件，即计算域左、右边界允许竖向位移、限制水平位移，下部为固定边界。基于虚功原理形成单刚矩阵，通过直接刚度迭加法组装总刚矩阵，由威尔逊逐步积分法求解。利用虎克定律求解单元应力。

　　图1粉质黏土边坡剖面

　　1.5土体物理力学参数

　　冻土与非冻土的区别在于冻土的物理力学参数是随着温度及含水量变化的，具体参数见表1。

　　2影响因素分析

　　实践证明，在季节冻土区，土的初始含水量和冻结温度为影响边坡冻融稳定性的两个主要因素。以下基于上述中国东北季节冻土区某一公路路堑边坡算例，通过有限单元数值模拟方法，进行季节冻土区边坡冻融稳定性影响因素分析。

　　2.1初始含水量影响

　　为了获得初始含水量在不同融化深度(h)时对季节冻土区融化边坡稳定性的影响，基于所建立的数值模拟途径，本文设计工况见表2。

　　图3为冻结温度为-3 ℃、坡度为45°、坡高为20 m、季节冻融层厚度为2 m、融化深度为2 m时，不同初始含水量对应全融边坡的安全系数的拟合曲线。得到初始含水量与全部融化的季节冻土区边坡安全系数的拟合公式为：

　　Fs=2.58616-0.0009056W0，R=099427[JY](3)

　　式中：Fs为边坡的安全系数;W0为初始含水量

　　从式(3)可以看出，季节冻土区边坡全融边坡的安全系数与土质的初始含水量成线性关系。随着初始含水量增加，边坡安全性逐渐降低。

　　图3全融边坡的安全系数与初始含水量关系

　　2.2冻结温度对融化边坡稳定性的影响

　　冻结温度直接影响到土体冻结速率以及冻结稳定后土体中的未冻水含量，从而影响到冻融后土体结构性的变化。为了研究冻结负温对季节冻土区融化过程边坡稳定性的影响，选取以下五种工况，即T=[-3、-5、-7、-10、-15]℃，其它参数参见工况A1。

　　不同融化深度时，冻结温度与安全系数的关系如图4所示。从图4可知，当融化深度一定时，随着冻结负温的降低，季节冻土区边坡的安全系数降低;当融化深度h≤15 m时，冻结温度低于-10 ℃对边坡稳定性影响不大。当冻结负温一定时，随着融化深度的增加，边坡的安全系数降低。

　　图4不同融化深度时冻结温度与安全系数的关系

　　[JP+2]图5为坡高为20 m、坡度为45°、最大冻融层厚度为2 m、融化深度为2 m时、初始含水量为118%时，不同冻结负温对应边坡的安全系数的拟合曲线。得到冻结温度变化对应的冻融层全部融化的季节冻土区边坡的拟合公式为：

　　Fs=1.55073+0.00409T，R=099754[JY](4)

　　式中：Fs为边坡的安全系数;T为冻结温度(℃)

　　从公式(4)可以看出冻结温度与融化后边坡的安全系数呈线性关系，即随着冻结温度的降低，融化后边坡的稳定性降低。

　　3结论

　　[JP+1]我国现有2/3以上干线交通位于季节冻土区。随着西部大开发和振兴东北战略的实施，季节冻土区的基础设施建设将得到更大的发展，然而，季节冻土区边坡的冻融灾害是制约季节冻土去工程建设的主要问题之一。因此，本文根据季节冻土区边坡春融期易发生滑坡的现象，基于有限单元法建立了季节冻土区边坡冻融稳定性的数值模拟途径，以哈同公路某一路堑边坡为背景，对初始含水量和冻结负温对融化过程中季节冻土区边坡稳定性的影响进行定量分析，主要得到以下结论。

　　(1)当融化深度一定时，随着初始含水量的增加、冻结温度的降低，边坡的安全系数减小，边坡的稳定性降低。

　　(2)随着融化深度的增加，边坡的安全系数减小，边坡的稳定性降低。

　　(3)得到的初始含水量、冻结负温单因素对全部融化的季节冻土区边坡安全系数拟合公式，可对工程计算进行预估计。

　　[JP3]这些结论对于今后季节冻土区边坡的设计具有参考意义。值得指出的是，季节冻土区边坡的影响因素很多，而本文作了较多的简化，所用的方法在定量分析方面是一个新的尝试，只能起到一个抛砖引玉的作用，还有待于进一步的研究和证实。

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