坡比对于季冻区膨胀土边坡土压力的影响研究

摘要：为了研究在季冻区冻融循环下，坡比对于膨胀土边坡中土压力的影响。通过室内试验的方法，设置不同的坡比（1：1.5、1：1和1：0.5），测定冻融循环下边坡土压力的变化规律。结果表明：3种不同坡比边坡，在单次冻融循环过程中，边坡的土压力变化规律基本相同，温度降低，土压力增大，温度升高则土压力减小。边坡坡比较大时，坡面较陡，在相同埋深位置处，上覆土较少，其土体重量较小，则土压力较小。

关键词：膨胀土；冻融循环；坡比；边坡稳定性

中图分类号： TU 443     文献标志码： A     文章编号：

Abstract： In order to study the effect of slope ratio on soil pressure on expansive soil slope under freeze-thaw cycle in seasonal frozen area. Through the method of indoor test， different slope ratios （1：1.5， 1：1 and 1：0.5） were set to determine the variation law of soil pressure on the slope under freeze-thaw cycle. The results show that the soil pressure change law of the slope is basically the same in the process of a single freeze-thaw cycle of three different slope ratios， the temperature decreases， the earth pressure increases， and the earth pressure decreases when the temperature increases. When the slope slope is relatively large， the slope surface is steeper， and at the same buried depth， there is less overlying soil， and its soil weight is small， then the soil pressure is small.

Key words： Expansive soil; freeze-thaw cycle; Slope; Slope stability

0 引言

大部分的中纬度地区，都会受到季节性冻融循环的影响。我国是冻土分布大国，主要在长江以北的地区，占国土面积50%以上。随着我国城市化不断加快，季冻区的交通工程建设也在快速发展，同时，季冻区的边坡防护问题随之而来，日益突出。膨胀土是一种含有膨胀性物质的黏土[1]，亲水性较强，吸水膨胀。膨胀土以及涉及的工程问题，同样是岩土工程的一大难题。

目前，国内外学者针对膨胀土边坡开展了大量研究。Subramanian等[2]采用数值模拟方法，考虑了季节气候效应，提出了边坡稳定性的一种评价方法。程永辉等[3]、殷宗泽等[4]对于膨胀土边坡的稳定、变形特性等问题进行了研究，考虑了裂隙、降雨等因素的影响，进一步探究了边坡的破坏模式和长期稳定性问题。

综上所述，针对膨胀土边坡，重点关注在降雨以及外载条件，而对于冻融循环下膨胀土边坡稳定性的研究较少。有鉴于此，通过室内试验的方法，研究在冻融循环下，坡比对于膨胀土边坡中土压力的影响。

1 试验方案

通过设置不同的坡比（1：1.5、1：1、1：0.5），研究其对于膨胀土边坡中土压力的影响。试验考虑了3种温度环境，初期置于环境箱中，其设置温度为-10℃，等待土体变形稳定。降低温度为-20℃，进行冻结试验，等待土体变形稳定，即可视为完成冻结。后提高温度为30℃，融化，时间48h，此过程为完成一次冻融循环，历时11天，循环5次。具体方案见表1。

2 试验设备

本试验主要试验设备包括模型箱、环境箱、数据采集仪、土压力传感器和支护钢架，采用模型箱和支护钢架用来制备边坡模型，环境箱可以模拟冻融循环，采用DH3816数据采集仪、DMTY土压力盒。

3 土样制备与边坡模型

依据《土工试验方法标准》[5]，测得土样的自然含水率，计算设定的含水率土样制备所需水质量。制备所需土样，并塑料袋密封，稳定时间要大于24h。边坡模型的尺寸及传感器布置见图1。在边坡中轴线布设监测点，埋深100mm，分别记为E1、E2、E3。

4 试验结果与分析

按照设计试验方案，制备所需边坡模型，分别设置不同的坡比（1：1.5、1：1、1：0.5），研究其对于膨胀土边坡中土压力的影响。

如图2所示，不同坡比条件下，单次冻融循环后，边坡的土压力变化规律基本相同，温度降低，土压力增大，温度升高则土压力减小。整体趋势来看，冻融循环次数增加，土压力逐步降低，第三次后趋于平稳。对于E1处的土压力（见表2），第一次冻融循环时，土压力的减小数值最大，第三次之后，土压力的数值变化较小，趋于稳定。

对于不同坡比的边坡，第一次冻融结束后，坡比1：1.5的坡顶土压力为24.2kPa，坡比1：1的坡顶土压力为23.3kPa，而坡比1：1时，坡顶土压力仅为8.2kPa。土压力变化幅度坡比1：1.5＞1：1＞1：0.5，这主要是由于，边坡坡比较大时，坡面较陡，在相同埋深位置处，上覆土较少，其土体重量较小，则土压力较小。

5  结论

本文通过室内试验的方法，设置不同的坡比（1：1.5、1：1、1：0.5），研究在冻融循环下，坡比对于膨胀土边坡中土压力的影响。由此得到以下结论：

（1）3种不同坡比边坡，在单次冻融循环过程中，边坡的土压力变化规律基本相同，温度降低，土压力增大，温度升高则土压力减小。

（2）边坡坡比较大时，坡面较陡，在相同埋深位置处，上覆土较少，其土体重量较小，则土压力较小。

参考文献：

[1]Ito M， Azam S. Engineering Characteristics of a Glacio-lacustrine Clay Deposit in a Semi-Arid Climate[J]. Bulletin of Engineering Geology and the Environment， 2009， 68（4）： 551.

[2]Subramanian S S， Ishikawa T， Tokoro T. Stability assessment approach for soil slopes in seasonal cold regions[J]. Engineering Geology， 2017， 221： 154-169.

[3]程永辉， 程展林， 张元斌. 降雨条件下膨胀土边坡失稳机理的离心模型试验研究[J]. 岩土工程学报， 2011， 33（zk1）： 409-414.

[4]殷宗泽， 袁俊平， 韦杰， 等. 论裂隙对膨胀土边坡稳定的影响[J]. 岩土工程学报， 2012， 34（12）： 2155-2161.

[5]GB/T 50123-2019， 土工试验方法标准[S].