我國(guó)是世界第三凍土大國(guó)，季節(jié)凍土面積約占國(guó)土面積的535%，多年凍土面積約占國(guó)土面積的215%[1]。由于經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的需要，我國(guó)在季節(jié)凍土區(qū)的開展了一大批基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，主要包括東北地區(qū)的中俄輸油管道工程、哈爾濱至大連的高速鐵路工程、301國(guó)道等。目前，我國(guó)現(xiàn)有三分之二以上干線交通位于季節(jié)凍土區(qū)。隨著西部大開發(fā)和振興東北戰(zhàn)略的實(shí)施，季節(jié)凍土區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將得到更大的發(fā)展，然而，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的凍融災(zāi)害是制約季節(jié)凍土去工程建設(shè)的主要問題之一。目前，我國(guó)的科研工作者對(duì)常溫地區(qū)的邊坡穩(wěn)定性問題進(jìn)行了深入的研究，取得了豐碩的成果，但是針對(duì)季節(jié)凍土區(qū)邊坡的研究很少且資料分散，致使理論研究嚴(yán)重滯后于工程實(shí)踐[25]。因此，季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性研究迫在眉睫。
鑒于上述，本文根據(jù)季節(jié)凍土區(qū)邊坡春融期易發(fā)生滑坡的現(xiàn)象，基于有限單元法建立了季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性的數(shù)值模擬途徑，以哈同公路某一路塹邊坡為背景，對(duì)初始含水量和凍結(jié)負(fù)溫對(duì)融化過程中季節(jié)凍土區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定量分析，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論。本文的研究對(duì)有效解決寒區(qū)筑路技術(shù)的棘手難題、避免或減輕道路凍融病害無疑具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。
1季節(jié)凍土區(qū)邊坡的數(shù)值分析
1.1條件簡(jiǎn)化
（1） 土體為各向同性均質(zhì)體。由于中國(guó)東北季節(jié)凍土區(qū)自然地形無大的起伏，因而自然邊坡和人工邊坡的規(guī)模均不算大，加之盆地內(nèi)部各地第四系沉積變化較小，故此同一邊坡中土體一般為各向同性的均質(zhì)體，所以這種簡(jiǎn)化假定基本合理。
?。?） 土體中無鹽分影響。由于中國(guó)東北鹽分含量較高的季節(jié)凍土均分布于油田及其附近地區(qū)，而這些地區(qū)基本無邊坡，存在邊坡地區(qū)的土體中鹽分含量一般很低，所以這種簡(jiǎn)化假定基本合理。
（3）不考慮地下水動(dòng)水壓力與靜水壓力的影響，并且無邊界水份補(bǔ)給與排泄。
?。?）按照平面應(yīng)變問題處理。由于一般邊坡的橫剖面較縱剖面尺寸小得多，所以這種簡(jiǎn)化假定基本合理。
1.2本構(gòu)關(guān)系的選取
邊坡凍融穩(wěn)定與失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵在于土的抗剪強(qiáng)度，而土的初始含水量、凍結(jié)溫度直接強(qiáng)烈影響凍土的抗剪強(qiáng)度，當(dāng)土的最大剪應(yīng)力達(dá)到破壞極限時(shí)，邊坡便失穩(wěn)破壞。鑒于此，采用以MohrCoulomb屈服準(zhǔn)則為破壞準(zhǔn)則的彈-塑性模型刻畫土的本構(gòu)行為。
1.3邊坡穩(wěn)定性判據(jù)
邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)定義如下：
Fs=[SX（]τf[]τM[SX）][JY]（1）
式中：Fs為安全系數(shù)；τf土的實(shí)際抗剪強(qiáng)度；τM為土臨界狀態(tài)下的最大抗剪強(qiáng)度。
引入MohrCoulomb屈服條件，則安全系數(shù)可改寫如下：
Fs=[SX（]c+σntanφ[]cc+σntanφc[SX）][JY]（2）
式中：c為土的實(shí)際凝聚力；φ為土的實(shí)際內(nèi)摩擦角；cc為土臨界狀態(tài)下凝聚力；φc為土臨界狀態(tài)下內(nèi)摩擦角；σn為實(shí)際法向應(yīng)力。
以坡體中塑性區(qū)貫通及特征結(jié)點(diǎn)位移突變的綜合考慮，作為邊坡凍融穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)判據(jù)。
1.4計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分
基于中國(guó)東北季節(jié)凍土區(qū)某一公路路塹邊坡算例，闡述有限單元數(shù)值模擬方法在邊坡凍融穩(wěn)定性分析中的具體應(yīng)用。算例邊坡為一勻質(zhì)的粉質(zhì)黏土邊坡，計(jì)算剖面見圖1，坡高H=20m、坡度β=45°。計(jì)算域分為凍融區(qū)與非凍土區(qū)，由8結(jié)點(diǎn)等參四邊形單元剖分計(jì)算域。采用位移約束邊界條件，即計(jì)算域左、右邊界允許豎向位移、限制水平位移，下部為固定邊界?；谔摴υ硇纬蓡蝿偩仃?，通過直接剛度迭加法組裝總剛矩陣，由威爾遜逐步積分法求解。利用虎克定律求解單元應(yīng)力。
圖1粉質(zhì)黏土邊坡剖面
1.5土體物理力學(xué)參數(shù)
凍土與非凍土的區(qū)別在于凍土的物理力學(xué)參數(shù)是隨著溫度及含水量變化的，具體參數(shù)見表1。
2影響因素分析
實(shí)踐證明，在季節(jié)凍土區(qū)，土的初始含水量和凍結(jié)溫度為影響邊坡凍融穩(wěn)定性的兩個(gè)主要因素。以下基于上述中國(guó)東北季節(jié)凍土區(qū)某一公路路塹邊坡算例，通過有限單元數(shù)值模擬方法，進(jìn)行季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性影響因素分析。
2.1初始含水量影響
為了獲得初始含水量在不同融化深度（h）時(shí)對(duì)季節(jié)凍土區(qū)融化邊坡穩(wěn)定性的影響，基于所建立的數(shù)值模擬途徑，本文設(shè)計(jì)工況見表2。
圖3為凍結(jié)溫度為-3℃、坡度為45°、坡高為20m、季節(jié)凍融層厚度為2m、融化深度為2m時(shí)，不同初始含水量對(duì)應(yīng)全融邊坡的安全系數(shù)的擬合曲線。得到初始含水量與全部融化的季節(jié)凍土區(qū)邊坡安全系數(shù)的擬合公式為：
Fs=2.58616-0.0009056W0，R=099427[JY]（3）
式中：Fs為邊坡的安全系數(shù)；W0為初始含水量
從式（3）可以看出，季節(jié)凍土區(qū)邊坡全融邊坡的安全系數(shù)與土質(zhì)的初始含水量成線性關(guān)系。隨著初始含水量增加，邊坡安全性逐漸降低。
圖3全融邊坡的安全系數(shù)與初始含水量關(guān)系
2.2凍結(jié)溫度對(duì)融化邊坡穩(wěn)定性的影響
凍結(jié)溫度直接影響到土體凍結(jié)速率以及凍結(jié)穩(wěn)定后土體中的未凍水含量，從而影響到凍融后土體結(jié)構(gòu)性的變化。為了研究?jī)鼋Y(jié)負(fù)溫對(duì)季節(jié)凍土區(qū)融化過程邊坡穩(wěn)定性的影響，選取以下五種工況，即T=[-3、-5、-7、-10、-15]℃，其它參數(shù)參見工況A1。
不同融化深度時(shí)，凍結(jié)溫度與安全系數(shù)的關(guān)系如圖4所示。從圖4可知，當(dāng)融化深度一定時(shí)，隨著凍結(jié)負(fù)溫的降低，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的安全系數(shù)降低；當(dāng)融化深度h≤15m時(shí)，凍結(jié)溫度低于-10℃對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響不大。當(dāng)凍結(jié)負(fù)溫一定時(shí)，隨著融化深度的增加，邊坡的安全系數(shù)降低。
圖4不同融化深度時(shí)凍結(jié)溫度與安全系數(shù)的關(guān)系
[JP+2]圖5為坡高為20m、坡度為45°、最大凍融層厚度為2m、融化深度為2m時(shí)、初始含水量為118%時(shí)，不同凍結(jié)負(fù)溫對(duì)應(yīng)邊坡的安全系數(shù)的擬合曲線。得到凍結(jié)溫度變化對(duì)應(yīng)的凍融層全部融化的季節(jié)凍土區(qū)邊坡的擬合公式為：
Fs=1.55073+0.00409T，R=099754[JY]（4）
式中：Fs為邊坡的安全系數(shù)；T為凍結(jié)溫度（℃）
從公式（4）可以看出凍結(jié)溫度與融化后邊坡的安全系數(shù)呈線性關(guān)系，即隨著凍結(jié)溫度的降低，融化后邊坡的穩(wěn)定性降低。
3結(jié)論
[JP+1]我國(guó)現(xiàn)有2/3以上干線交通位于季節(jié)凍土區(qū)。隨著西部大開發(fā)和振興東北戰(zhàn)略的實(shí)施，季節(jié)凍土區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將得到更大的發(fā)展，然而，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的凍融災(zāi)害是制約季節(jié)凍土去工程建設(shè)的主要問題之一。因此，本文根據(jù)季節(jié)凍土區(qū)邊坡春融期易發(fā)生滑坡的現(xiàn)象，基于有限單元法建立了季節(jié)凍土區(qū)邊坡凍融穩(wěn)定性的數(shù)值模擬途徑，以哈同公路某一路塹邊坡為背景，對(duì)初始含水量和凍結(jié)負(fù)溫對(duì)融化過程中季節(jié)凍土區(qū)邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行定量分析，主要得到以下結(jié)論。
?。?）當(dāng)融化深度一定時(shí)，隨著初始含水量的增加、凍結(jié)溫度的降低，邊坡的安全系數(shù)減小，邊坡的穩(wěn)定性降低。
?。?）隨著融化深度的增加，邊坡的安全系數(shù)減小，邊坡的穩(wěn)定性降低。
?。?）得到的初始含水量、凍結(jié)負(fù)溫單因素對(duì)全部融化的季節(jié)凍土區(qū)邊坡安全系數(shù)擬合公式，可對(duì)工程計(jì)算進(jìn)行預(yù)估計(jì)。
[JP3]這些結(jié)論對(duì)于今后季節(jié)凍土區(qū)邊坡的設(shè)計(jì)具有參考意義。值得指出的是，季節(jié)凍土區(qū)邊坡的影響因素很多，而本文作了較多的簡(jiǎn)化，所用的方法在定量分析方面是一個(gè)新的嘗試，只能起到一個(gè)拋磚引玉的作用，還有待于進(jìn)一步的研究和證實(shí)。
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