冻融诱发平面滑移型岩质边坡失稳模型试验研究

摘" 要：为研究平面滑移型岩质边坡冻融失稳机制，基于相似理论开展了含主控裂隙边坡模型冻融试验，监测冻融循环全过程中温度、冻胀力、裂隙端部应变、滑体位移及声发射等响应特征。结果表明：冻融过程中裂隙内不同位置温度变化规律一致，可分为快速降温与过冷、潜热释放与相变结冰、持续降温与冻结、裂隙冰升温与吸热、裂隙冰融化、完全融化等6个阶段；冻胀力峰值随冻融循环次数增加而减小；单次冻融循环过程中冻胀力大小与温度相关，冻胀力峰值出现于冻结相变结冰阶段，二次冻胀峰值出现于裂隙冰融化阶段；滑体在冻融0～5次内位移较小，最大仅为0.5 mm，冻融6～14次垂直位移缓慢下降，水平位移呈“台阶”状增大，最大达到3.8 mm，冻融15～19次位移基本保持不变，直至冻融第20次边坡失稳位移瞬间增大；冻融诱发边坡失稳过程可分为：冻胀损伤积累期、主控裂隙扩展期、裂隙扩展贯通期、滑面抗剪劣化期，其力学机制演化过程依次为“岩桥锁固”“岩桥-摩擦共锁”“摩擦锁固”“摩擦解锁”边坡失稳。研究结果为寒区岩质边坡冻融失稳机制研究提供一定参考。

关键词：岩质边坡；冻融循环；模型试验；平面滑移；冻胀力；失稳机制

中图分类号：TU 458

文献标志码：A

文章编号：1672-9315（2024）06-1118-09

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0610开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

收稿日期：

2024-09-

30

基金项目：

国家自然科学基金项目（42177144，42277172）；陕西省重点研发计划项目（2024SF-YBXM-626）

通信作者：

梁博，男，陕西渭南人，博士，副教授，E-mail：liangbo@xust.edu.cn

Experimental study on freeze-thaw induced planar

sliding rock slope instability model

LIANG Bo1，YANG Gengshe1，FENG Wei2，PAN Zhenxing1，

SUN Jielong3，LIU Hui1，CHEN Qi4

（1.

College of Architecture and Civil Engineering，Xi’an University of Science and Technology，Xi’an 710054，China；

2.Xi’an Highway Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710054，China;

3.School of Architecture and Civil Engineering，Yan’an University，Yan’an 716000，China；

4.Shaanxi Construction Engineering Twelfth Construction Group Co.，Ltd.，Ankang 725000，China）

Abstract：In order to study the freeze-thaw instability mechanism of plane sliding rock slope，based on the similarity theory，the freeze-thaw test of slope model with main control fracture was carried out，and the response characteristics of temperature，frost heaving force，strain at the end of fracture，displacement of sliding body and acoustic emission in the whole process of freeze-thaw cycle were monitored.The results show that the temperature variation of different positions in the crack during the freezing and thawing process is consistent，which can be divided into six stages：rapid cooling and supercooling，latent heat release and phase change freezing，continuous cooling and freezing，crack ice heating and heat absorption，crack ice melting and complete melting;The peak value of frost heaving force decreases with the increase of freeze-thaw cycles.During a single freeze-thaw cycle，the magnitude of frost heaving force is related to temperature.The peak value of frost heaving force appears in the freezing phase transition freezing stage，while the second frost heaving peak appears in the fracture ice melting stage;The displacement of the sliding body is small in the freeze-thaw 0～5 times，with a maximum of only 0.5 mm.The vertical displacement of the freeze-thaw 6～14 times decreases slowly，and the horizontal displacement increases in a ‘step’shape，reaching a maximum of 3.8 mm.The displacement of the freeze-thaw 15～19 times remains basically unchanged until the 20 th freeze-thaw slope instability displacement increases instantaneously;The process of slope instability induced by freeze-thaw can be divided into：frost heave damage accumulation period，main control fracture expansion period，fracture expansion and penetration period，and sliding surface shear deterioration period.The evolution process of mechanical mechanism is ‘rock bridge locking’，‘rock bridge-friction co-locking’，‘friction locking’，and friction unlocking slope instability.The research results provide some reference for the study of freeze-thaw instability mechanism of rock slopes in cold regions.

Key words：rock slope；freeze-thaw cycle；model test；plane slip；frost heave force；instability mechanism

0" 引" 言

加快重大交通基础设施规划建设是“一带一路”倡议的重要组成部分。其中，正在积极推进的“中巴经济走廊”等联通周边国家多条重要交通线路工程穿越了高海拔寒区［1-3］。高寒区交通工程由于昼夜和季节性温度变化的影响，沿线边坡不可避免地受到周期性的冻融作用［4-6］。大量研究表明，反复冻融作用将导致岩体的开裂破碎和力学性能的劣化，最终诱发崩塌、落石等灾害［7-9］。调查发现在高寒山区，公路路堑边坡的滑移式破坏尤为普遍，对交通基础设施的安全建设和正常运营构成了巨大的威胁［10-12］。

在锁固型岩质边坡内部，存在着一段未被裂隙或软弱结构面贯通的锁固段，该结构对于维系整个边坡系统的稳定性至关重要。许强、赵晓彦和霍冬冬等经大量调研中国的灾难性滑坡后，发现锁固段是决定边坡发生滑动的关键［13-15］；黄润秋从不同岩质边坡实例中总结锁固段的位置、形态特点，将

锁固型边坡分为

三段式、挡墙式、阻滑块式、线性多级式和阶梯式等5类［16-17］；姜彤将非接触式测量手段应用于模型试验中，对3种锁固型滑坡采取外力牵引诱使失稳破坏，结合图像分析手段获得支撑拱式、挡墙式、三段式锁固型边坡的失稳全过程，对比分析有无锁固段对不同滑坡的变形失稳特征差异［18］；李小超、李正胜等采用模型试验及数值模拟的分析方法，分析不同锁固长度的锁固型岩质边坡在开挖扰动作用下的变形演化规律［19-20］。

徐拴海、王晓东和闻磊等以高海拔寒区多年冻岩裂隙边坡为研究对象，从边坡岩体介质特征、水冰环境特征、含冰裂隙岩体的力学强度特性等角度分析冻岩边坡在冻融循环状态及消融状态下的稳定性演化规律，提出岩质边坡受冻融破坏的5种模式，并提出一定的冻融病害防治措施［21-23］；乔国文调查了乌蔚高速天山段岩质边坡赋存的冻融风化环境，结合室内试验与数值分析研究冻融岩石的物理力学参数以及岩质边坡的变形破坏特征，发现冻融作用所产生的热应力不仅改变初始岩质边坡浅表层的应力分布状态，而且作用于长大含水裂隙中，使其应力集中逐步损伤边坡岩体，进而导致边坡破坏失稳［24］；刘欣欣、李家欣和金栋从水热力三场耦合的角度探讨了冻融循环作用对某煤矿边坡稳定性的影响，结果表明岩质边坡的冻融作用是一个由表及深的过程，主要是由于冻胀力引发岩体变形进而导致整体破坏失稳［25-27］；路亚妮、郑绍杰和王晓东分析裂隙岩体的力学特性在冻融作用下的劣化规律，结合强度折减法对冻结状态、融化状态、常温状态这3种岩质边坡的稳定性进行探究，发现冻融状态下的边坡稳定性低于未经冻融影响的稳定性［28］。

目前有关冻融循环作用下岩质边坡的稳定性问题研究颇多，但针对反复冻融对锁固型岩质边坡的影响，特别是冻融循环条件下借助中大尺度物理模型试验对岩质边坡的失稳破坏研究鲜有开展。基于相似理论，制作了锁固型边坡模型及加载系统，开展了反复冻融作用下平面滑移式边坡失稳的物理模型试验，得到了冻融循环过程中模型边坡温度场、坡体的整体位移和局部变形，揭示了冻融循环作用下平面滑移式岩质边坡失稳机制。

1" 试验系统及模型设计

以天山公路某岩质边坡为研究原型，坡高18 m，坡角70°，边坡浅表层为Ⅳ类岩体，坡体内发育一条张拉裂隙，周围为Ⅲ类岩体。基于相似原理确定模型试验参数，开展冻融循环试验并监测边坡温度场、冻胀力及坡体位移变形情况。

1.1" 相似准则

根据相似原理，物理模型试验应满足下列相似判据

CσCγCl=1Cμ=Cε=Cf=Cφ=Cε0=CεC=Cεt=1Cσ=CE=Cc=C=CRt=CRC=CτCδ=Cl

（1）

式中" Cσ为应力相似常数；Cl为几何相似常数；Cγ为重度相似常数；Cμ为泊松比相似常数；Cε为应变相似常数；Cf为摩擦系数相似常数；Cφ为内摩擦角相似常数；Cε0为残余应变相似常数；Cε0为单轴极限压应变相似常数；Cεt为单轴极限拉应变相似常数；Cεt为弹性模量相似常数；Cc为黏聚力相似常数；Cσ为边界应力相似常数；CRt为抗拉强度相似常数；CRC为抗压强度相似常数；Cτ为抗剪强度相似常数；Cτ为位移相似常数。

为保证模型试验冻融作用产生的温度应力与实际边坡一致，还应该遵循以下2个相似判据

Ct=C2lCξ

（2）

Cα=CT

（3）

式中"" Cξ为导热系数相似常数；Ct为时间相似常数；Cl为几何相似常数；Cα为导热系数系数相似常数；CT为温度相似常数。

1.2" 模型制作及加载系统

将边坡概化为坡顶15 m，坡底24 m，高18 m，坡角70°的锁固型岩质边坡。取几何相似比Cl=30，因此模型长0.8 m，高为0.6 m，厚度为0.25 m，

坡角为70°，结构面倾角为50°，未贯通结构面长为0.4 m，取锁固段长为0.13 m，宽度为4 mm。

模型采用相似材料制作，将河砂、重晶石粉混合材料作为骨料，水泥为胶凝材料，添加硅粉、铁粉调节材料的物理力学特性，添加消泡剂、减水剂制备试件。正交试验结果进行线性回归分析，确定相似材料最优配合比为水泥、砂、铁粉、重晶石粉、硅粉按照1∶2.156∶0.092∶0.153∶0.028的质量比、水灰比为0.3～0.32的比例区间配制成相似材料，经测试符合试验要求。

模型试验应力相似比Cσ=1，采用顶部加载的方式等效自重应力。计算可知原型边坡上部滑体、滑体下部岩体压强分别为0.138，0.224 MPa。

考虑低温对液压系统的影响以及重力堆载空间限制影响，利用杠杆原理制作加载模型（图1），根据静力学原理，施加在模型上的荷载为

T3=T1×L1×L3L2×L4

（4）

式中" T1为杠杆悬挂重力，N；T3为模型顶部压力，N；L1，L2，L3，L4分别为杠杆长度，m。

制作加载装置实测左、右加载端荷载传递比为26.5，坡顶裂隙前、后端作用面积上的荷载值分别为0.648，16.002 kN，采用杠杆装置对边坡模型进行加载时，根据荷载传递规律及杠杆自重计算，左右两端杠杆悬挑端配重物体质量分别12.5，59.117 kg。

1.3" 冻融环境参数

边坡受季节冻融循环影响，区域年最高平均气温为22 ℃，最低气温为-11.8 ℃，全年0 ℃以下时间约为6个月。为了满足温度相似，既

CQ/CTCs=1

（5）

式中" CQ为潜热量缩比；Cs为容积比热缩比。

根据试验可知：Cs≠1，CQ≠1，为满足相似准则，各点温度为原型对应点温度需要乘以1/CT的系数，故冻融试验温度设定为-20～20 ℃。为了模拟边坡实际冻融环境下气温沿坡面向坡体内部传导的过程，将模型除坡面外其他部分进行保温棉包裹，视为隔热处理。

模型材料与原岩导热系数接近，即Cξ≈1。根据相似原理，以1年为冻融周期计算出单次冻融循环试验时间为9.73 h，考虑到试验中室内制冷系统无法达到冻融效果，根据预实验温度场的监测结果，设定冻结时间为72 h，融化时间为72 h。

1.4" 试验监测方案

边坡模型冻融循环试验过程中，为了监测内部温度场、坡体位移、锁固段变形破坏过程。设置监测点布置（图2），

温度监测点（T1-T15），横向间距10 cm，纵向间距5 cm

。冻胀力监测点沿裂隙底部，布设3个冻胀力监测点（F1-F3），横向间距与温度测点保持一致。位移监测点的布置沿坡面分布，在边坡模型顶部和坡面中部位置处分别布设2个竖向位移监测点（D1、D3）和2个水平位移监测点（D2、D4）。应变监测点依次等间距沿裂隙面延长线方向垂直布置6个应变片（S1-S6）。声发射测试锁固段所布设相邻应变片之间设置2个声发射监测点（A1、A2）。

2" 试验结果

2.1" 边坡主控裂隙温度演化规律

裂隙内部不同位置温度变化规律基本一致。根据温度变化速率，将裂隙内的温度变化情况分为6个阶段。阶段Ⅰ：快速降温与过冷阶段。环境温度快速降低，裂隙内部温度迅速从20 ℃下降至-4 ℃，在14 740 s表现出明显的“过冷”现象，即内部裂隙水温度降至冰点以下而仍未结冰。阶段Ⅱ：潜热释放与相变结冰阶段。随着环境温度的继续下降，裂隙水释放大量潜热，导致裂隙内部温度在短时间内迅速回升至0 ℃左右，发生水冰相变，但并未深度冻结，而是形成了初步密封的冰壳结构，将未冻水包裹在内。阶段Ⅲ：持续降温与冻结阶段。期间裂隙冰的温度逐渐下降，冰壳内未冻水持续冻结，降温速率也逐渐减缓，直至降至-20 ℃为止。阶段Ⅳ：裂隙冰升温与吸热阶段。环境温度逐渐升高，裂隙冰吸收热量，其温度缓慢上升直至温度接近0 ℃。阶段Ⅴ：裂隙冰融化阶段。当环境温度继续升高至冰体熔点时，裂隙冰顶部和两侧开始融化，温度传递至裂隙底部时，冰体与裂隙内壁脱粘，部分未融化的裂隙冰漂浮在裂隙水液面的顶部，并与所融化的水分混合。阶段Ⅵ：裂隙水升温阶段。漂浮在裂隙顶部的冰在此阶段内完全融化，裂隙水的温度持续上升，直至接近环境温度。

2.2" 冻融循环过程中坡面的位移变化规律

将滑体视为刚体，

坡体位移变化规律可等效视为边坡主控裂隙的发育规律，位移规律的变化特征可以反映边坡冻融灾变的失稳过程。根据冻融循环作用下坡体位移变化趋势特征，可将边坡冻融失稳过程划分为3个阶段：损伤累积阶段、裂纹扩展贯通阶段、剪切破坏阶段。冻融0～5次过程中的位移变化相对较小，水平位移和垂直位移的最大位移量约为0.5 mm，属于损伤累积阶段。该阶段以冻胀损伤积累为主，边坡内部的微小裂纹和缺陷在冻融作用下逐渐发展，但尚未形成明显的破坏，边坡此时的整体结构仍保持相对完整，能够承受一定的外力作用。冻融6～14次水平位移呈“台阶”状增大，最大位移量达3.8 mm，而垂直位移则是呈现出缓慢下降。后缘张拉裂隙端部在这一阶段开始萌发裂纹并逐步扩展，属于裂纹扩展贯通阶段。边坡主控裂隙贯通后边坡并未失稳，边坡抗滑力由岩桥锁固力和结构面摩擦力共同承担转化为由结构面摩擦力单独承担。

剪切破坏阶段

坡体水平位移和垂直位移最大位移量保持稳定，受循环冻胀力和温度应力作用呈台阶状。冻融第20次冻融过程的融化阶段，水平位移瞬间增大，垂直位移则是跌落至最低值，边坡模型发生剪切失稳破坏。

2.3" 边坡冻融失稳响应特征

根据坡体的位移变化特征将边坡失稳过程划分3个阶段，其中冻融循环第1次、第6次、第14次和第20次分别为三阶段始末节点，因此着重分析关键节点冻融循环过程中温度、冻胀力、应变、位移、声发射等物理场响应特征（图5）。

2.3.1" 第1次冻融过程

冻结过程中温度由20 ℃逐渐降低至-4 ℃，裂隙水出现过冷现象，不会立即冻结；温度的降低导致坡体内岩石和水产生非均匀收缩，应力重新分布进而促使坡体的水平位移逐步升高，但变化量仅为0.3 mm。裂隙水释放出大量潜热，使温度从-4 ℃升至0 ℃，裂隙水开始相变结冰，形成冰壳结构，壳体内未冻水受到裂隙内壁的约束致使其从顶部挤出；随后在低温作用下再次冻结，最终形成稳定的冰壳，包裹在内的未冻水向冻结方向迁移，产生的冻胀力快速增大，峰值达1 100 N；进而导致裂隙端部产生应变，应变片S1、S2和S3的数值随之升高，声发射事件大量出现。当冻胀力达到稳定状态后，应变也逐渐稳定，期间水平位移继续缓慢增大，声发射事件和声发射累积计数保持稳定。

融化过程中

裂隙水由外向内逐步融化，已经融化的

水分向未融化冰方向迁移并再次冻结，形成二次冻胀力，使应变片S1、S2和S3的数值进一步升高，但此阶段所产生的冻胀力不足以促使裂隙扩展，所以声发射事件较少。随着温度为0 ℃，裂隙冰融化，冻胀力消散，裂隙端部的弹性应变逐渐恢复，但塑性变形累积进入下一次冻融循环过程，水平位移亦是如此。

2.3.2" 第6次冻融过程

冻结过程冷缩效应、内部应力以及温度的变化规律与第1次冻融循环相似。但边坡经历了5次冻融损伤积累，裂隙端部经过反复冻融损伤后开始扩展。故其端部应变的变化趋势与第1次相似，但其变形值却显著增大。裂隙扩展冻胀力释放导致冻胀力峰值由第1次的1 100 N下降至

650 N。坡面的水平位移从0.45 mm增加至0.7 mm，残余变形从0.05 mm增加至0.36 mm。

AE事件第6次冻融过程中的冻胀阶段出现最频繁（图5（b））。

融化过程冻胀力和应变的二次峰值及消散过程与第1次冻融循环相似，但塑性应变量和水平位移残余值均增大。

2.3.3" 第14次冻融过程

裂隙内部温度和冻胀力的变化规律与第1次、第6次冻相似，但冻胀力峰值已降低至310 N，应变片S1、S2和S3在冻胀阶段先后被拉断，单次冻融的水平位移达到最大值1.1 mm，其累积变形已达到4 mm，声发射事件也在本次循环内达到顶峰，说

明此时锁固岩体以及断裂，主控裂隙贯通（图5（c））。

2.3.4" 第20次冻融过程

边坡在经历14次冻融后，锁固段断裂但边坡尚未失稳，边坡滑体与滑床已经分离，裂隙水流散，冻胀力消散。由于边坡滑体分离导致声发射探头不能捕获声音信号，因此第20次冻融过程中不再出现温度、冻胀力、声发射事件的变化曲线。在冻结阶段，应变和水平位移增大后保持稳定，融化阶段应变和水平位移未能产生与第1、6、14次冻融过程中类似的变化趋势，仍是保持稳定不变，表明坡体已经进入塑性剪切阶段，不能立即恢复弹性变形，S4、S5、S6应变片在瞬间被拉断，水平位移也立即陡升发生失稳破坏。

2.4" 滑移型岩质边坡冻融失稳机制

根据模型试验结果，将冻融诱发边坡滑移失稳过程划分为4个时期，如图6所示。

1）冻胀损伤积累期。裂隙端部存在天然缺陷区域可视为初始损伤，水分渗入端部缺陷反复冻结过程中水冰相变产生冻胀损伤，萌发微裂纹形成局部损伤区，融化阶段水分持续渗入局部损伤区，进而形成微裂纹丛集。但冻融循环初期边坡主控裂隙端部未出现宏观裂纹，边坡滑体变形较小。此阶段可认为边坡抗滑力主要由岩桥提供，边坡处于“岩桥锁固”状态。

2）主控裂隙扩展期。反复冻融损伤引起端部微裂纹丛集逐步联通，出现明显的宏观裂纹，裂隙端部发生塑性变形，边坡滑体的水平位移快速增大。滑体的竖向位移则逐步降低，边坡主控裂隙逐步发育扩展。此阶段可认为边坡抗滑力由岩桥和裂隙结构面的摩擦力共同承担，可视为边坡由“岩桥锁固”转化为“岩桥-摩擦共锁”。

3）裂隙扩展贯通期。随着冻融持续进行，边坡主控裂隙逐步扩展直至贯通，边坡滑体的水平位移和垂直位移保持稳定，并未发生滑移破坏。此阶段可认为边坡抗滑力滑移面摩擦力共同承担，可视为边坡由“岩桥-摩擦共锁”转化为“摩擦锁固”。

4）边坡解锁失稳期。边坡主控裂隙贯通后，滑体的水平位移和竖向位移基本保持稳定，伴随着冻融循环持续进行，边坡滑面的抗剪强度降低，直至不能抵抗滑体的下滑力发生滑移破坏，视为边坡“摩擦锁固”解锁失稳。

3" 结" 论

1）边坡主控裂隙内不同位置温度变化基本一致。温度变化可分为快速降温与过冷、潜热释放与相变结冰、持续降温与冻结、裂隙冰升温与吸热、裂隙冰融化、裂隙水升温等6个阶段。

2）冻融循环过程中冻胀力大小与温度变化相关。随着冻融循环次数增加冻胀力峰值减小。首次冻融循环过程中冻胀力达到最大，发生于温度变化阶段Ⅱ，二次冻胀发生于温度变化阶段Ⅴ。

3）冻融循环过程中边坡滑体位移可分为3个阶段：冻融0～5次水平与垂直位移量均较小；冻融6～14次水平位移呈“台阶”状快速增大，垂直位移平缓持续降低；冻融15～19次水平与垂直位移量基本保持不变，直至冻融20次边坡失稳位移瞬间增大。

4）将冻融诱发边坡滑移失稳过程划分为冻胀损伤积累、主控裂隙扩展、裂隙扩展贯通、边坡解锁失稳等4个时期。冻融诱发边坡失稳机制可视为：“岩桥锁固”逐步转化为“岩桥-摩擦共锁”，岩桥断裂解锁，进而转化为“摩擦锁固”，滑面冻融抗剪劣化导致摩擦解锁边坡失稳。

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（责任编辑：李克永）