0 引言

中国膨胀土分布广泛, 其中位于季冻区的膨胀土边坡易受到冻融循环作用，所以如何保障膨胀土边坡的冻融稳定性是现实的工程问题^[1-2]。膨胀土作为一种吸水膨胀软化、失水收缩干裂的特殊灾害性土壤，其含水率在冻融循环过程中受到冰与水相态转变的影响会剧烈波动^[3]。对于大体积膨胀土边坡来说，多次冻融循环作用会同时导致不同深度土体间的水分迁移^[4-5]。多种因素造成的膨胀土含水率变化会造成土体内部孔隙结构与骨架结构重整，最终影响膨胀土边坡的整体稳定性^[6]。土工合成材料增强的加筋土具有工程造价低、土体整体结构稳定的特点，近年来被大量运用在路堑边坡、开挖边坡等边坡工程加固中^[7-8]。但在冻融循环作用下的膨胀土边坡中，使用土工格栅对边坡稳定性的增强效果尚不清楚。

以往研究表明，膨胀土在冻融循环作用后物理与力学特性会发生较大改变。例如：田芳^[9]研究发现冻融循环会破坏土体结构并降低土体抗压强度，微观表现为随着冻融次数增加土体小孔隙减少，大孔隙增加；许雷等^[10]研究发现低含水率与高含水率膨胀土的冻胀融缩特点；蔡正银等^[6]开展了冻融循环中膨胀土裂缝演化研究，发现冻融中膨胀土裂隙由浅入深、由长向短发育。冻融循环过程会影响边坡模型劣化模式: 蔡正银等^[11]在边坡冻融循环离心机试验中发现, 冻融循环中裂隙发育可使水分大量渗入坡体，最终导致边坡趋向横向失稳；徐丽丽等^[12]提出控制季节冻土区域土的含水率变化保障边坡稳定性，并提出在冻融破坏严重地区使用加筋膨胀土强化膨胀土边坡稳定性；谭波等^[13]使用土工格栅柔性支护处理了膨胀土路堑滑坡，监测结果表明格栅边坡支护有很好的保湿防渗效果；万亮^[14]开展了膨胀土边坡拉拔试验，结果表明膨胀土边坡与土工格栅结合性良好。

土工格栅在处理膨胀土边坡工程中取得了较好的结果，但之前研究都只考虑了加筋膨胀土的短时间承载能力，并没有考虑冻融作用下加筋膨胀土边坡在较长时间范围内的稳定性变化。本文开展了膨胀土边坡加筋的冻融循环模型试验，通过监测边坡土压力、位移、含水率与温度变化，研究在冻融循环过程中膨胀土边坡的稳定性。试验通过与未加筋的膨胀土边坡模型对比，确定土工格栅加固膨胀土边坡的有效性，希望为冻融膨胀土边坡工程提供有效理论依据。

1 试验方案 1.1 边坡模型制备

边坡模型试验使用潍坊重塑膨胀土，按《土工试验方法标准》(GB/T 50123—2019)^[15]测得膨胀土自由膨胀率为50.5%，按照《膨胀土地区建筑技术规范》(GB 50112—2013)^[16]将其划分为弱膨胀土。膨胀土其他物理指标如表 1所示。膨胀土边坡模型设计含水率为20%，压实度为79%。如图 1所示，边坡模型制备可分为4个阶段：分层夯实、层间刮毛、支撑拆除、整体削坡。设计膨胀土边坡模型尺寸为85 cm (长) × 60 cm (宽) × 55 cm (高)，坡顶有20 cm平台，在边坡模型制备完成后覆盖多层隔水材料防止坡体水分流失。试验共制备加筋膨胀土边坡与对照边坡两组，加筋组土工格栅埋共3层，每10 cm布设1层，横向埋深为20 cm，预留反包空间将土工格栅反包并压实。为便于表述，下文将加筋组膨胀土边坡称为S1，未加筋组膨胀土边坡称为S2。

1.2 传感器布设

图 2为边坡模型试验传感器监测系统，试验记录膨胀土边坡模型在冻融循环过程中位移、含水率、土压力与温度变化。试验位移使用HG-C1100微型激光位移传感器，土压力使用DMTY电阻式应变土压力盒，温湿度监测使用温湿度一体式传感器。传感器具体布设位置由图 2所示。位移传感器命名为D1—D5；土压力传感器命名为E1—E3；分别沿坡底至坡顶方向布置。温湿度传感器共设5组, 命名为W1—W5，为研究含水率和温度沿坡面不同位置与不同深度随冻融时间变化，其中W1、W2、W5沿边坡表面自下而上布置，W3、W4与W5位于边坡顶部由深至浅纵向布置。在边坡模型监测传感器设计中，针对坡顶(D4, D5; E3; W3, W4, W5)、坡面(D3; W2; E2)与坡底(D1, D2; W1; E1)进行3层次布置。位移传感器沿边坡表面布置；土压力传感器沿不同位置同一深度原则布置；为监测边坡不同深度的水分与温度随冻融时间的迁移变化，温湿度传感器分为W3—W5的深度与W1—W3的深度两类设置；同时为避免过多传感器对边坡影响，仅设一组深度方向上传感器。

1.3 边坡模型试验方案

膨胀土边坡模型试验在定制多功能环境箱(图 3)中完成，环境箱可设定箱内环境温度区间为-30~80 ℃，精度为±0.1 ℃，升温速度为3 ℃/min，降温速度为1 ℃/min。边坡在单次冻融循环中温度设定为, 先在-10 ℃下冻结，然后降温至-20 ℃继续冻结，最后升温至30 ℃融化; 这是因为许雷等^[10]发现在膨胀土处于-10、-20 ℃的冻结温度对其物理特性影响最显著，并且于琳琳^[17]研究表明融化温度高于冻结温度绝对值才能使土体迅速稳定。试验中边坡模型达到稳定的标准为2 h内土体变形不超过0.01 mm^[18]，试验发现：边坡模型在-10 ℃下6 d达到稳定；-20 ℃下3 d达到稳定；30 ℃下2 d达到稳定，故单次冻融循环试验时间为246 h(11 d)。试验共进行4次冻融循环。

2 试验结果与分析 2.1 加筋膨胀土边坡模型裂缝发育特征

图 4为4次冻融循环后边坡表面与边坡模型侧向裂隙发育状况，在冻融循环过程中两组边坡均有裂隙发育，其中S1组加筋土边坡表面裂缝发育细小并分散在整个边坡表面，而S2组未加筋边坡表面裂缝发育模式为生成一条纵向主裂缝并向水平两侧发育。对比图 4中边坡表面与边坡侧向裂缝，可以发现加筋膨胀土边坡模型中裂缝的宽度与深度远远小于未加筋组。其中：S1坡面裂缝宽度最大为3 mm，纵向深度为3 cm(图 4a，c)；S2坡面裂缝宽度最大为5 mm，纵向深度为9 cm(图 4b，d)。上述现象说明膨胀土边坡加筋可以有效约束边坡表面裂缝发育，提高边坡整体性，因此冻融循环作用下的边坡稳定性也得到保障。

膨胀土在冻融循环过程中产生裂缝原因主要是膨胀土本身具有失水收缩性，具体为冻融循环中冻结过程会使膨胀土边坡上层失水收缩而下层正温处并没有收缩，土颗粒间相对位移，最终导致膨胀土边坡表面生成裂缝。膨胀土边坡模型在冻融循环过程中首先会出现细小裂缝，并随着冻融循环次数增加坡体表面逐渐加深。以往研究表明膨胀土中产生裂隙会影响土体抗剪强度，同时膨胀土黏聚力也有所降低^[19]。在边坡土体中的裂缝导致边坡在裂缝纵向面失去黏聚力与抗剪能力，一般来说膨胀土边坡最危险滑动面不会和边坡裂缝面重合，但边坡裂缝的发育会降低危险面的抗剪强度。裂缝发育在两方面影响边坡稳定性^[20]：裂缝降低抗剪强度；裂缝发育提供外界水源进入路径，同时可以降低膨胀土黏聚力和增加危险面滑动弯矩。

试验中加筋膨胀土中裂缝的宽度与深度明显低于未加筋组，说明土工格栅显著增强了边坡稳定性。这是因为当边坡表面受冻融作用影响时产生细微裂缝，筋材可以代替土体失去的黏聚力传递裂隙两侧应力，从而减少了裂缝尖端应力集中，这可以显著抑制边坡裂缝的宽度与深度发育。加筋土中筋材约束土体变形的能力被称为框箍作用^[21]。

2.2 膨胀土边坡模型冻融循环中的土压力与位移变化

图 5为两组边坡在4次冻融循环过程中土压力变化。图中将连续4次冻融循环中土压力变化结果在单次冻融时间中进行对比，可以发现土压力在两组边坡中均呈现随冻融循环次数增加而下降的趋势。冻融循环中土压力变化幅值最大为200 h左右的冻结阶段。图 5e未加筋组边坡4次冻融循环间E3土压力变化幅值最大为26 kPa，而图 5c加筋膨胀土边坡同位置幅值变化为18 kPa，说明加筋膨胀土边坡模型土压力相较于未加筋边坡模型可土压力可下降30.7%。随着冻融循环次数增加，边坡表面结构逐渐松散，伴随着裂隙的生成边坡土压力逐渐减小。在单次冻融循环过程中土压力随冻结时间增加逐渐上升，融化时逐渐下降。

在长时间冻融条件下，两处传感器都出现不同程度问题，其中S2-E2在试验中传感器损坏，而S1-E2在两次冻融结束后损坏。但综合试验数据可以看到，未加筋组S2不论是坡底(图 5d)还是坡顶(图 5e)，在多次试验过程都呈现随冻融次数增加土压力循环减小特点，而加筋组S1边坡中部(图 5b)同样呈现相同特点，可以推断边坡整体土压力在冻融循环过程中土压力减小。图 5a与c为加筋边坡底部与顶部土压力变化，在试验过程中边坡底部土压力应力复杂，处于边坡内部水分迁移与冰水转换过程中的复杂应力状态，土骨架的破坏与重组更为彻底，所以相较于边坡顶部较为均匀一致的变化来看，边坡底部土压力波动较大。但从整体多次冻融土压力来看，两者趋势仍然一致，即为随冻融次数增加而减小。

图 5a中可以看到：在冻结锋面经过土压力盒时(50 h)出现冰水转换而带来的峰值(图中表述为释放潜热)，此时土压力传感器处膨胀土温度为0 ℃，土中大部分自由水短时间内生成固态冰同时释放大量潜热；同时冰晶生成带来体积增大引发土中孔隙变化，最终导致土颗粒骨架中应力增大，表现为土压力峰值；自由水的一部分潜热释放延缓了冰晶生成速度，土压力又呈现短暂下降，随后剩余自由水缓慢相变，使土压力持续升高。融化阶段(230 h)大量水产生的超孔隙水压与孔隙水压消散带来土压力峰值(图中表述为压力消散)，这是因为这一阶段上层土体短时间内大量冰融化为水，受重力作用影响带来短暂的超孔隙水压力，引发土压力变化。

图 6为冻融循环过程中膨胀土边坡模型位移变化，两组边坡模型在冻融循环中都呈现冻缩融胀现象，这与一般冻土的冻胀融缩不同。许雷^[10]研究发现低含水率膨胀土在冻融循环中呈现冻缩融胀，而高含水率膨胀土在冻融循环中呈现冻胀融缩，这是土颗粒本身胀缩性与冰水相态转变带来的体积变化之间的互相牵制导致的。在图 6中还可以发现加筋膨胀土边坡的位移量明显小于未加筋组，说明土工格栅在膨胀土边坡中可以有效约束位移，提高边坡稳定性。上述研究在坡顶、坡中与坡底试验结果具有一致性，可以发现膨胀土边坡在冻融循环过程中的整体位移表现有相同趋势，并且加筋对约束膨胀土胀缩存在良好效果。随着冻融循环次数增加边坡位移逐渐趋向稳定，直至最后冻融前后相对位移极小，这时边坡达到安稳状态。土工格栅限制边坡位移的作用机理是提供了膨胀土边坡的“类黏聚力”^[22]，提高了膨胀土边坡土骨架整体强度，减小了冻融循环带来的膨胀土孔隙变化。

2.3 冻融循环中膨胀土边坡的含水率与温度变化

图 7为冻融循环过程中边坡W5处含水率变化。从图 7中可以发现，在冻结过程中膨胀土边坡含水率逐渐减少并逐渐稳定，温度再次降低会打破稳定状态，膨胀土含水率再次降低并趋于稳定。对比两组边坡含水率变化可以发现，S1在单次冻融循环过程中含水率变化较小，随着冻融次数增加含水率逐渐降低；S2边坡含水率随着冻融次数增加上升，即发生了水分向边坡表面迁移。根据其余含水率传热器数据可知，同一深度下不同位置膨胀土的含水率变化趋势一致。Konrad^[23]提出了分凝势(SP)的概念，该概念被定义为水传递速率与冻土冻结边缘的温度梯度的比率。水分迁移量与温度梯度的经验关系为

式中：V(t)、SP(t)和gradT(t)分别为水分迁移量、分凝势和温度梯度。式(1)说明温度梯度越大时水分迁移量越高，所以外界对边坡急速降温会比缓慢降温带来更大的水分迁移量，进而会降低边坡稳定性。图 7中含水率变化是因为融化时边坡中水分向下渗透导致表面含水率降低，但土工格栅在边坡中阻止了内部水分在冻结过程中受到分凝势的影响向上迁移，具体作用为：1)加筋土颗粒间更加密实，可以抵抗冻融循环过程中膨胀土的结构性损伤，冻融循环过程中膨胀土渗透性没有较大变化，膨胀土边坡内部水分难以向上渗透；2)多层筋材布置增长了水分迁移时的路径，降低了沿水分迁移路径上的分凝势，两方面共同作用降低了冻融循环中水分向边坡表面的迁移量。

加筋膨胀土边坡水分迁移量减小可以有效提高边坡稳定性，这是因为水分向边坡表面迁移时会增加边坡危险滑动面以上容重，增大边坡滑动力矩，并且随着冻融循环中水分大幅度迁移，膨胀土颗粒会发生显著的胀缩从而改变边坡内孔隙状态。整体来说膨胀土边坡内的水分迁移会带来坡体结构性损伤，降低膨胀土边坡的最危险滑裂面抗剪强度。

图 8为冻融循环过程中两组膨胀土边坡的温度变化对比，W3与W5两组传感器间隔20 cm，W5更靠近边坡表面，图中某一时间点温度差即为这时两传感器间温度梯度。对比两组边坡数据可以发现：融化阶段S2边坡温度始终高于S1边坡温度(图 8)，表示未加筋组边坡内部温度传递速率要高于加筋膨胀土边坡。这说明加筋可以减缓膨胀土边坡内部温度变化速率，避免短时间内边坡内温度剧变，更有利于边坡稳定。

2.4 冻融循环中膨胀土边坡稳定性分析

本文试验监测了冻融循环过程中膨胀土裂缝、土压力、位移与温湿度等稳定性数据，但缩尺模型试验会引起与实际边坡中土壤本构与边界的相似误差^[24]，使用试验数据确定实际边坡安全参数的准确率难以保证。可以确定的是，膨胀土边坡模型试验可以揭示冻融循环引发的膨胀土边坡失稳机制以及对边坡冻融中内部参数进行定性分析。边坡的失稳过程是由上部破碎带运动，最后在坡脚切出坑底^[25]，这与本文的试验现象具有一致性。

加筋膨胀土可以显著提高边坡冻融过程中稳定性，对比两组试验数据可知：1)由图 4可以发现加筋土边坡模型裂缝宽度可减少40%，裂缝深度可减少67%；2)由图 5c、e加筋边坡顶部冻结土压力相较于未加筋边坡可降低30.7%；3)由图 6可知边坡位移更加整体，不会呈现由上至下的分层现象；4)由图 7可以看到边坡顶部含水率降低了63%。

尽管实际加筋膨胀土边坡中可能难以达到模型试验中各参数变化比例，但是可以推定加筋膨胀土边坡可以有效抵抗长期冻融循环带来的劣化，维持边坡稳定性。对膨胀土边坡加筋可以有效约束膨胀土冻融裂缝发育，减少外界水分入侵路径，降低边坡冻融中土压力变化幅值，有效改良膨胀土在冻融过程中的胀缩与开裂趋势。

3 结论

1) 在冻融循环作用下，膨胀土边坡会生成主裂缝并向四周发育，随着冻融循环次数增加裂缝宽度与裂缝深度逐渐变大。加筋膨胀土边坡可以在裂缝面传递两端土体应力，这可以有效约束膨胀土边坡裂缝宽度与深度，使边坡表面裂缝更为均匀生成，使膨胀土边坡更具有整体性。

2) 与未加筋膨胀土边坡对比，土工格栅加筋膨胀土可以降低边坡在冻融循环过程中位移变化，减小冻融循环过程中膨胀土孔隙形态与膨胀土体骨架结构改变，保障冻融循环过程中膨胀土稳定性。

3) 加筋材料可以限制土颗粒间相对位移，抑制膨胀土渗透性增加趋势，减缓水分迁移速率，同时加筋材料可以延长膨胀土水分迁移路径，两者共同作用减小了膨胀土边坡的水分迁移量。

4) 加筋膨胀土边坡中温度变化较未加筋边坡更为缓慢，说明土工格栅加筋可以减小膨胀土边坡热传递速率，在外界温度梯度较大时在边坡内延缓温度变化，保证边坡不在短时间内温度剧变。

5) 与传统黏性土的冻胀融缩特点不同，膨胀土边坡冻融循环中呈现冻缩融胀特点，这会给边坡带来更严重的结构性损伤，加筋土可以提供“类黏聚力”而有效约束边坡胀缩特性，保持边坡的整体性与结构性。