本篇副高論文發表對季節凍土區邊坡凍融穩定性進行分析，本文的研究對有效解決寒區筑路技術的棘手難題、避免或減輕道路凍融病害無疑具有極其重要的現實意義。《土木建筑與環境工程》(原《重慶建筑大學學報》)1957年創刊，是重慶大學主辦的建筑工程類學術刊物(雙月刊)，主要反映土木工程、市政與環境工程、暖通工程與建筑物理、建筑材料等學科領域的最新理論科研、工程應用成果，促進學術交流，培育土木建筑和環境科學人才，推動建筑學科發展繁榮。

　　隨著西部大開發和振興東北倡議的實施，季節凍土區的基礎設施建設將得到很大的發展，然而，季節凍土區邊坡的凍融災害是制約季節凍土去工程建設的主要問題之一。基于有限單元法，建立了季節凍土區邊坡凍融穩定性的數值模擬途徑，以東北某一路塹邊坡為背景，對初始含水量和凍結負溫對融化過程中季節凍土區邊坡穩定性的影響進行定量分析。研究表明，土的初始含水量越大、凍結溫度越低，邊坡凍融穩定性越差。分析成果可進一步充實季節凍土區邊坡凍融穩定性的研究內容，對工程實踐提供一定指向作用。

　　關鍵詞：季節凍土區;邊坡穩定性;數值模擬

　　我國是世界第三凍土大國，季節凍土面積約占國土面積的535%，多年凍土面積約占國土面積的215%[1]。由于經濟與國防建設的需要，我國在季節凍土區的開展了一大批基礎設施建設，主要包括東北地區的中俄輸油管道工程、哈爾濱至大連的高速鐵路工程、301國道等。目前，我國現有三分之二以上干線交通位于季節凍土區。隨著西部大開發和振興東北倡議的實施，季節凍土區的基礎設施建設將得到更大的發展，然而，季節凍土區邊坡的凍融災害是制約季節凍土去工程建設的主要問題之一。目前，我國的科研工作者對常溫地區的邊坡穩定性問題進行了深入的研究，取得了豐碩的成果，但是針對季節凍土區邊坡的研究很少且資料分散，致使理論研究嚴重滯后于工程實踐[25]。因此，季節凍土區邊坡凍融穩定性研究迫在眉睫。

　　鑒于上述，本文根據季節凍土區邊坡春融期易發生滑坡的現象，基于有限單元法建立了季節凍土區邊坡凍融穩定性的數值模擬途徑，以哈同公路某一路塹邊坡為背景，對初始含水量和凍結負溫對融化過程中季節凍土區邊坡穩定性的影響進行定量分析，并對計算結果進行了討論。

　　1季節凍土區邊坡的數值分析

　　1.1條件簡化

　　(1) 土體為各向同性均質體。由于中國東北季節凍土區自然地形無大的起伏，因而自然邊坡和人工邊坡的規模均不算大，加之盆地內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體，所以這種簡化假定基本合理。

　　(2) 土體中無鹽分影響。由于中國東北鹽分含量較高的季節凍土均分布于油田及其附近地區，而這些地區基本無邊坡，存在邊坡地區的土體中鹽分含量一般很低，所以這種簡化假定基本合理。

　　(3)不考慮地下水動水壓力與靜水壓力的影響，并且無邊界水份補給與排泄。

　　(4) 按照平面應變問題處理。由于一般邊坡的橫剖面較縱剖面尺寸小得多，所以這種簡化假定基本合理。

　　1.2本構關系的選取

　　邊坡凍融穩定與失穩破壞的關鍵在于土的抗剪強度，而土的初始含水量、凍結溫度直接強烈影響凍土的抗剪強度，當土的最大剪應力達到破壞極限時，邊坡便失穩破壞。鑒于此，采用以MohrCoulomb屈服準則為破壞準則的彈-塑性模型刻畫土的本構行為。

　　1.3邊坡穩定性判據

　　邊坡穩定性安全系數定義如下：

　　Fs=[SX(]τf[]τM[SX)][JY](1)

　　式中：Fs為安全系數;τf土的實際抗剪強度;τM為土臨界狀態下的最大抗剪強度。

　　引入MohrCoulomb屈服條件，則安全系數可改寫如下：

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

　　式中：c為土的實際凝聚力;φ為土的實際內摩擦角;cc為土臨界狀態下凝聚力;φc為土臨界狀態下內摩擦角;σn為實際法向應力。

　　以坡體中塑性區貫通及特征結點位移突變的綜合考慮，作為邊坡凍融穩定性的評價判據。

　　1.4計算模型與網格劃分

　　基于中國東北季節凍土區某一公路路塹邊坡算例，闡述有限單元數值模擬方法在邊坡凍融穩定性分析中的具體應用。算例邊坡為一勻質的粉質黏土邊坡，計算剖面見圖1，坡高H=20 m、坡度β=45°。計算域分為凍融區與非凍土區，由8結點等參四邊形單元剖分計算域。采用位移約束邊界條件，即計算域左、右邊界允許豎向位移、限制水平位移，下部為固定邊界。基于虛功原理形成單剛矩陣，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力。

　　圖1粉質黏土邊坡剖面

　　1.5土體物理力學參數

　　凍土與非凍土的區別在于凍土的物理力學參數是隨著溫度及含水量變化的，具體參數見表1。

　　2影響因素分析

　　實踐證明，在季節凍土區，土的初始含水量和凍結溫度為影響邊坡凍融穩定性的兩個主要因素。以下基于上述中國東北季節凍土區某一公路路塹邊坡算例，通過有限單元數值模擬方法，進行季節凍土區邊坡凍融穩定性影響因素分析。

　　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)時對季節凍土區融化邊坡穩定性的影響，基于所建立的數值模擬途徑，本文設計工況見表2。

　　圖3為凍結溫度為-3 ℃、坡度為45°、坡高為20 m、季節凍融層厚度為2 m、融化深度為2 m時，不同初始含水量對應全融邊坡的安全系數的擬合曲線。得到初始含水量與全部融化的季節凍土區邊坡安全系數的擬合公式為：

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

　　式中：Fs為邊坡的安全系數;W0為初始含水量

　　從式(3)可以看出，季節凍土區邊坡全融邊坡的安全系數與土質的初始含水量成線性關系。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與初始含水量關系

　　2.2凍結溫度對融化邊坡穩定性的影響

　　凍結溫度直接影響到土體凍結速率以及凍結穩定后土體中的未凍水含量，從而影響到凍融后土體結構性的變化。為了研究凍結負溫對季節凍土區融化過程邊坡穩定性的影響，選取以下五種工況，即T=[-3、-5、-7、-10、-15]℃，其它參數參見工況A1。

　　不同融化深度時，凍結溫度與安全系數的關系如圖4所示。從圖4可知，當融化深度一定時，隨著凍結負溫的降低，季節凍土區邊坡的安全系數降低;當融化深度h≤15 m時，凍結溫度低于-10 ℃對邊坡穩定性影響不大。當凍結負溫一定時，隨著融化深度的增加，邊坡的安全系數降低。

　　圖4不同融化深度時凍結溫度與安全系數的關系

　　[JP+2]圖5為坡高為20 m、坡度為45°、最大凍融層厚度為2 m、融化深度為2 m時、初始含水量為118%時，不同凍結負溫對應邊坡的安全系數的擬合曲線。得到凍結溫度變化對應的凍融層全部融化的季節凍土區邊坡的擬合公式為：

　　Fs=1.55073+0.00409T，R=099754[JY](4)

　　式中：Fs為邊坡的安全系數;T為凍結溫度(℃)

　　從公式(4)可以看出凍結溫度與融化后邊坡的安全系數呈線性關系，即隨著凍結溫度的降低，融化后邊坡的穩定性降低。

　　3結論

　　[JP+1]我國現有2/3以上干線交通位于季節凍土區。隨著西部大開發和振興東北倡議的實施，季節凍土區的基礎設施建設將得到更大的發展，然而，季節凍土區邊坡的凍融災害是制約季節凍土去工程建設的主要問題之一。因此，本文根據季節凍土區邊坡春融期易發生滑坡的現象，基于有限單元法建立了季節凍土區邊坡凍融穩定性的數值模擬途徑，以哈同公路某一路塹邊坡為背景，對初始含水量和凍結負溫對融化過程中季節凍土區邊坡穩定性的影響進行定量分析，主要得到以下結論。

　　(1)當融化深度一定時，隨著初始含水量的增加、凍結溫度的降低，邊坡的安全系數減小，邊坡的穩定性降低。

　　(2)隨著融化深度的增加，邊坡的安全系數減小，邊坡的穩定性降低。

　　(3)得到的初始含水量、凍結負溫單因素對全部融化的季節凍土區邊坡安全系數擬合公式，可對工程計算進行預估計。

　　[JP3]這些結論對于今后季節凍土區邊坡的設計具有參考意義。值得指出的是，季節凍土區邊坡的影響因素很多，而本文作了較多的簡化，所用的方法在定量分析方面是一個新的嘗試，只能起到一個拋磚引玉的作用，還有待于進一步的研究和證實。