季冻区公路边坡冻融破坏规律及影响因素研究

李劲松，李云鹏，张利东，王新军

(1.吉林省高等级公路建设管理局，吉林 长春 130022；2.交通运输部科学研究院，北京 100029)

高速公路边坡失稳破坏不仅会导致包括植被损毁、水土流失等一系列的环境问题，也会对公路运营带来安全隐患。对于边坡破坏机理和防治的研究一直是学者们关注的热点问题之一。目前，我国对常温地区的边坡失稳破坏类型、模式以及稳定性问题进行了深入的研究，取得了大量的研究成果。李靖对高速公路高边坡病害的产生原因进行了分析，系统的给出了施工期间对边坡病害防治的建议。刘立权采用多维数值分析方法，对河北省太行山、燕山区域19条段的278处高边坡进行可靠度计算，实现了对山区高速公路高边坡稳定性可靠度分级，评价结果为高速公路管理部门提供了参考。而对于公路边坡冻害的研究则主要集中在多年冻土区，在季节冻土区，公路边坡在冬春之交常发生边坡滑塌破坏等地质灾害，气温的周期性变化引起土体反复的冻结与融化，从而导致土体发生表层冻融剥蚀、冻融层状剥落，甚至小型冻融崩塌。赵坚研究了季节性冻融循环对坡体安全系数的影响，通过浅层稳定分析，得到在季冻区影响坡体安全系数的主要因素为坡面荷载、坡度、融化深度以及融化土体的抗剪强度。葛琪等研究了季节冰冻区土质边坡在春融期常发生的浅层滑坡与冻融界面水分积聚的关系，通过冻融界面土坡的失稳破坏试验得出随着含水量及冻融次数的不断提高，边坡发生的浅层滑坡的可能性增高。但目前在边坡工程理论以及冻土工程特性对于冻融作用引起边坡失稳形成机理的研究相对不足，对季节冻土区冻融型边坡破坏特征、机理研究较少，尤其对季节冻土区道路边坡变形监测、冻融循环对于土体强度的影响、边坡失稳的触发条件和演化过程等缺乏系统研究。本文通过对季冻区高速公路边坡进行地温监测，结合土壤物理性质和气象数据的对比分析，研究季冻区高速公路边坡冻融破坏规律及影响因素，以期为季冻区高速公路边坡冻融破坏防治提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

鹤岗至大连高速(G11，以下简称鹤大高速公路)白山段，途径沿江乡、露水河、万良镇、抚松县等地。项目全长190 km，起点桩号K715，终点桩号K905，项开工时间为2014年4月，2016年10月建成通车。公路沿线属于典型的微丘及低山丘陵区，平均海拔在400～830 m之间。该区属于中温带大陆性季风气候，春季干燥多风，夏季炎热多雨，7～8月为雨季，年平均气温2.8 ℃，年平均降雨量760～830 mm，最大冻土深度126 cm。研究区域内植被类型为天然次生林及人工林，主要植被种类有长白落叶松、红松、大青杨、毛榛、五加、刺五加、卫予、山茄子、子棉马、木贼蕨、掌叶铁蕨、阴地苔等，土壤以为暗棕色森林土、棕色针叶林土、山地生草森林土为主，少部分为沼泽土和草甸土，试验边坡土壤为暗棕壤。

1.2 地温监测

为了研究季冻区公路边坡浅层土壤地温变化对冻融循环的影响，在研究区域内设置2处地温监测站点见表1，分别记录和观察有无植被覆盖条件下，土壤温度随时间的变化，分析植被对冻融循环的影响。研究选取了鹤大高速公路K770+350和K773+600两处阳坡设置地温监测站点，每个站点设置一体化地温自动监测站(JW100)一个，同时埋设地温传感器(JWSD-100 dW)3枚，埋设深度为土壤下15～30 cm，监测频率为4 h/次，一天共计数据6次。试验从2018年11月开始，直到2019年5月份结束(土壤解冻时间)。

表1 调查边坡基本特征表

1.3 土壤容重的测定

采用环刀法测量土壤容重，环刀直径为50.46 mm，容积为100 cm3，测量深度为0.1 m和0.3 m。采样前用铲子清理掉测量深度以上的土壤，待露出测量深度土壤时用环刀托采集未扰动土样，使土样充满环刀，并用修土刀对土壤两面进行修整并加盖后带回室内进一步测量，每个土壤深度采集5个土壤样品，取样时间为2019年7月。将环刀内的土壤进行烘干测量其干重M，则土壤容重可用公式(1)计算，试验中共采集土样20个，每个采样点的土壤容重采用算数平均值计算。

r=M/100

(1)

式中：r为土壤容重，g/cm3。

1.4 土壤含水率测定

采用烘干法测量土壤含水率，试验前用土钻对土壤深度在0.1 m和0.3 m的土壤样品进行采集，每个土壤深度采集5个土壤样品，采集的样品装入自封袋后带回室内进一步测量，取样时间为2019年7月。将带入室内的土壤样品分别装入承重后的铝盒内，记录此时的总重量m1后打开盖子放入恒温箱内在105 ℃下烘8 h，结束后烘箱温度下降至40 ℃时取出铝盒并盖好盖子，待冷却至室温时测量此时的重量m2。此时的土壤含水率可用公式(2)计算，试验中共采集土样20个，每个采样点的土壤含水率采用算数平均值计算。

w=(m1-m2)/(m2-m)×100%

(2)

式中：w为土壤含水率，%；m为铝盒质量，g。

1.5 土壤抗剪强度测定

试验采用手持便携式十字板剪切仪(PVST-3)测量不同覆盖条件及土壤深度内的土体抗剪强度。通过对土体施加一定扭矩，将土体剪坏，测定土体因抗剪对试验仪器产生的最大扭矩，通过换算得到土体抗剪强度植。同一个土壤深度内测量5次，土体抗剪强度结果采用平均值来表示。试验共测量不同点位6处，测量土体抗剪强度共计60次。

1.6 数据处理

采用excel2010对数据进行分析，采用SPSS 20.0对数据进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖条件下土壤温度的变化

如图1所示为不同覆盖条件下土壤温度与气温随时间的变化关系。由图可知，在不同覆盖条件下，土壤温度变化趋势基本相同，在测量周期内其温度在-15～12 ℃之间，土壤温度的最低值出现在1月份，分别为-14.93 ℃(无植被覆盖条件下)和-13.63 ℃(有植被覆盖条件下)，最高值出现在5月份，分别为11.21 ℃(无植被覆盖条件下)和8.63 ℃(有植被覆盖条件下)。在测量前期(11月27日～12月24日)，不同覆盖条件下土壤温度随时间的变化较小，随着继续测量，土壤温度在24 h内呈现波动变化，且表现为有植被覆盖的土壤温度明显高于无植被覆盖的土壤温度。进入2月中旬到3月底，不同覆盖条件下土壤温度随时间的变化区域不变，进入4月后，24 h内波动加剧，且表现为无植被覆盖的土壤温度明显高于有植被覆盖的土壤温度。

图1 不同覆盖条件下土壤温度与气温随时间的变化关系

研究区域日最高气温与最低气温的变化趋势基本相似，12月初到2月初，日最高气温普遍在0 ℃以下，且波动较为强烈，最低气温为-28 ℃。在这一时期内，土壤温度与气温不存在明显的关系，进入3月份，气温日变化较小，土壤温度在经过一段保持不变后缓慢升高，且表现出与日气温相似的变化规律(如3月17日～3月20日、4月23日～4月27日、5月4日～5月7日等)，尤其是日最低气温普遍在0 ℃以上时，这种相似的变化趋势更明显。在整个测量时间段内，土壤温度一直保持在日最高气温和日最低气温附近变化，在测量前段土壤温度接近甚至高于日最高气温，而后逐渐在日最高气温和日最低气温之间变化，在测量后段土壤温度接近日最低气温，而后低于日最低气温1～3 ℃左右。

2.2 不同覆盖条件下土壤抗剪强度的变化

不同覆盖条件下土壤含水率和土壤抗剪强度变化如表2所示，土壤容重在不同位置不同深度内的差异较小，但无植被覆盖的土壤容重量要大于有植被覆盖边坡土壤。同样的，无植被覆盖各土壤深度内土壤含水率均高于有植被覆盖，且均表现为随着土壤深度的增加而减小的趋势。应用持便携式十字板剪切仪测量的临界剪切应力则表现为随着土壤深度的增加而增加，但也表现为无植被覆盖土壤的临界剪切应力要大于有植被覆盖的情况。

表2 不同覆盖条件下土壤含水率和土壤抗剪强度

3 结论与讨论

3.1 季冻区公路边坡冻融作用变化规律

通过对比分析不同覆盖条件下土壤温度和日气温随时间的变化规律可知，以24 h为间隔，进入冬季后土壤温度呈现明显的波动变化，当日最高气温达到最低和日最低气温接近0 ℃时波动变化最为强烈。24 h时间间隔内，土壤温度差最大达到6 ℃左右，以日最低气温接近0 ℃时的波动变化为基础，土壤温度差在0 ℃变化的次数为20次，可见研究区域冻融破坏发生的时间大约在4月份，持续时间在1个月左右，这与汤洁等研究一致。除此之外，土壤封冻后日气温变化趋缓时，土壤温度也变化较缓，在土壤解冻过程中，日最低气温可以明显的表征土壤温度的日变化，但土壤温度存在一定的滞后性。李东方等通过对比沙丘和草甸地温与冻融过程得到，有植被覆盖的地温滞后变化更为明显，且含有植被的土壤冻结和溶解速度明显低于裸露土壤。不同覆盖条件下，土壤温度的变化也存在差异，以24 h为间隔，有植被覆盖条件下的土壤温度变化差值比无植被覆盖条件下的土壤温度变化差值低1 ℃左右，在吴小波等人的研究中发现，稀疏植被的存在对冻土有很大的影响，植被的存在使得冻土的活动层厚度和年平均地温明显增加。当土壤温度发生日波动时，有植被覆盖条件下的土壤温度整体更靠近0 ℃。在整个测量周期内，当土壤温度发生日波动时，有植被覆盖条件下的土壤温度变化范围在22 ℃，而无植被覆盖条件下的土壤温度变化范围则为26 ℃左右。

3.2 季冻区公路边坡冻融破坏影响因素

通过分析不同覆盖条件下土壤物理性质变化差异可知，有植被覆盖的边坡其土壤容重、土壤含水率均小于无植被覆盖的边坡。由于植物根系生长的影响，使得含有植物的边坡土壤松动，土壤渗透性增加，加上根系对水分的吸收，导致土壤含水率下降。焦瑞等人的研究表明，根系通过吸水作用降低了土壤含水率，但随着土壤深度的增加，根系对土壤含水率的影响逐渐减弱，土壤质地对土壤含水率的影响逐渐增强，土壤含水率与土壤粘粒含量之间呈正相关关系。在植被存在的条件下，土壤温度达到0 ℃的时间被延缓，而在土壤解冻时，由于植物的作用，减缓了温度的日变化。除此之外，尽管有植被覆盖条件下土壤临界剪切强度小于无植被覆盖条件下，但由于植物根系在土壤中错综缠结，当土体发生开裂或崩坏时，含有植物根系的土体在发生一定位移后根系的抗拉和抗剪强度发挥作用，在很大程度上阻止了土体的进一步的破坏，而无植被覆盖的边坡，由于土壤中不存在这种加筋作用，土体在承受一定外力后被破坏，发生崩塌或滑落。Li等人的研究中同样发现根系对土壤的稳固作用主要是依靠横向根系的加筋作用，即使土体发生裂缝，根系也能提供很好的抵抗继续破坏的作用。

4 结 论

本研究通过测量不同覆盖条件下土壤温度以及土壤其他物理性质的变化，结合气象数据，通过对比分析研究季冻区公路边坡冻融作用变化规律以及冻融破坏的影响因素。结果表明，土壤温度和土壤含水率是影响季冻区公路边坡冻融破坏的主要因素，土壤温度的日变化可以很好的表征冻融破坏的发生过程，当气温降低时，土壤温度会在0 ℃以下发生较大的波动，随着气温的升高，土壤温度在保持一段时间不变后，开始升高，且在日最低气温接近0 ℃时发生冻融循环作用。植被的存在很大程度上会影响冻融循环，通过植物以及植物根系的作用，可以有效延缓土壤冻结时间，降低土壤含水率以及增加土壤抵抗剪切破坏的能力，从而阻止冻融破坏的发生。因此，在以后的季冻区公路边坡防护中，应采取合理的植物手段预防冻融破坏的发生。