冻融-湿干循环对黄土抗剪强度与边坡稳定性的影响

　　摘 要：为研究冻融-湿干循环作用下黄土强度特性及边坡稳定性演化规律，本文通过室内三轴试验，探究了不同冻融-湿干循环条件下黄土抗剪强度特性。在此基础上，采用数值模拟分析了不同循环次数、坡高、坡角条件下的边坡安全系数。结果表明：黄土抗剪强度随循环次数增加显著劣化，黏聚力衰减为主控因素，且劣化主要集中于前5次循环。边坡安全系数随循环次数增加呈非线性衰减，同时受坡高与坡角影响较大，其中坡角变化对稳定性影响最为明显。灰色关联分析表明，坡角、坡高与循环次数对边坡稳定性的影响权重分别为0.355、0.334和0.311。建议在气候敏感区黄土边坡工程中重视几何设计并预留长期循环劣化的安全裕量。

　　关键词：黄土边坡;冻融-湿干循环;抗剪强度;数值模拟;安全系数

　　文章编号：中图分类号：U416.1文献标识码：A

　　0 引言

　　黄土广泛分布于我国西北地区，其特有的结构性及水敏性，导致黄土在气候变化与工程活动条件下极易发生强度劣化，进而诱发一系列工程灾害[1]。近年来，随着西北地区基础设施建设规模的持续扩大[2]，由季节性冻融与湿干交替循环引发的边坡失稳问题日益突出。尤其在春融期与雨季交替阶段，土体反复经历冻胀融沉与吸水失水过程，造成胶结结构破坏、微裂隙扩展及抗剪强度持续衰减，显著增加了道路边坡、渠道边坡等工程的长期运维风险。因此，探究冻融-湿干耦合循环下黄土的抗剪强度演化规律与边坡稳定性具有重要意义。

　　目前，国内外学者围绕冻融或湿干单一循环作用对黄土性质的影响已开展了较多研究。杨喜莲等[3]通过三轴剪切试验发现，黄土黏聚力在冻融循环作用下黏聚力大幅减小，但内摩擦角影响较小，并通过SEM与NMR微观手段探究了其劣化机制。邱明明等[4]通过直剪试验探究了干湿循环次数、幅度、路径及法向应力等对黄土抗剪强度的影响，发现原状黄土劣化幅度大于重塑黄土，且前三次循环影响较大。在边坡稳定性分析方面，石玉玲等[5]将基于室内试验确定的抗剪强度参数代入数值分析软件，进而探究了干湿循环对边坡稳定性的影响。王之鲁等[6]采用MIDAS软件分析了冻融循环对高填边坡的影响，发现冻融循环会导致边坡在降雨作用下应变增大，进而影响边坡安全稳定性。然而，现有研究多聚焦于单一循环作用，而对冻融-湿干这一交替循环工况的研究相对缺乏。同时，针对循环劣化、边坡几何参数与边坡稳定性之间的敏感性关联尚不清晰。

　　针对上述不足，本文通过室内三轴试验与数值模拟相结合的方法，研究了冻融-湿干循环下黄土抗剪强度演化规律，并进一步分析了不同循环次数、坡高、坡角对边坡安全系数的影响。通过灰色关联度量化各影响因素的权重，明确边坡稳定性的主控因素。本研究旨在深化对气候变化强烈地区黄土边坡灾变机理的认识，同时为边坡工程设计中的参数选取与安全裕量的设定提供理论依据。

　　1 室内试验

　　1.1 试验材料

　　本次试验的土样材料取自新疆伊犁某公路边坡附近，取样深度为地下3m范围内，土样属于第四纪风积黄土。土体粉粒含量较高，天然干密度为1.42g/cm3，天然含水率介于4.6%-18%，土颗粒比重2.71，土体塑限17.4%，液限28.2%，塑性指数10.8。地质勘探揭漏区域内黄土最大层厚为27.4m，土质较为均匀。项目区域内沟谷发育，地势起伏，沿线黄土路堑边坡众多。受特殊地理条件影响，伊犁地区冬季降雪充沛，春季降雨量集中，夏季伴随强烈蒸发，边坡土体受冻融-湿干循环作用强烈，极易发生滑塌失稳。

　　1.2 试验方案

　　圆柱试样的制备尺寸为39.1mm×80mm，初始含水率设定为18%。为模拟实际工程条件中气候变化诱发的冻融-湿干循环作用，本次在室内对制备的圆柱试样开展先冻融后湿干的循环过程。具体操作流程为：(1)参考冻融循环相关试验流程及试验地区气象条件，确定试样首先在-20℃条件下的制冷设备中冻结12h，然后转入20℃恒温条件下自然融化12h，以完成1轮冻融循环。(2)采用水膜增湿的方式，首先将融化完成的试样进行增湿，增湿上限设定为28%含水率;增湿结束采用保鲜膜包裹养护试样12h。然后将试样放入干燥箱内烘干至5%含水率;期间需不间断的称取试样质量，以计算土体含水率是否满足减湿要求。(3)将干燥完成的试样再次增湿至初始基准含水率18%，放入保湿缸内养护，即完成一轮冻融-湿干循环。(4)重复上述步骤，完成冻融-湿干循环次数分别为0、1、3、5、7的多种工况。

　　将完成冻融-湿干循环的圆柱试样安装至三轴剪切试验装置，开展围压为50kPa、150kPa、300kPa条件下的三轴剪切试验。提取剪切试验应力-应变曲线峰值(或者15%轴向应变对应应力)作为抗剪强度，以进一步分析冻融-湿干循环作用对土体内摩擦角与黏聚力的影响。三轴剪切试验装置与冻融-湿干循环试验过程，如图1所示。

　　图1 三轴剪切与冻融-湿干循环试验过程

　　1.3 结果分析

　　图2为冻融-湿干循环条件下土体抗剪强度变化曲线。由图2可知，不同围压条件下，黄土的抗剪强度均随冻融-湿干循环次数的增加而呈现出衰减变化趋势。但围压越高，抗剪强度的衰减幅度越小。循环次数由0次增加至7次时，50kPa围压条件下抗剪强度衰减29.53%，而150kPa与300kPa围压条件下抗剪强度分别衰减21.19%、17.78%。这表明较高的围压在一定程度上抑制了因冻融-湿干循环引发的土体劣化。主要原因为围压提供的约束力限制了土体中新生裂隙的张开与扩展，增强了颗粒间的接触应力，从而部分抵消了循环过程造成的土体弱化效应。

　　将上述抗剪强度绘制为莫尔圆，通过公切线可计算得土体黏聚力与内摩擦角指标，如图3所示。由图3可知，随着循环次数得增加，黏聚力与内摩擦角整体均呈现减小趋势。相较内摩擦角，黏聚力对循环作用更为敏感，曲线斜率更为陡峭，7次循环后土体黏聚力的劣化度为45.61%，而内摩擦角的劣化度仅为8.02%。主要原因为黏聚力源于土颗粒间的各种胶结作用[7]，冻融产生的冰晶胀缩力与干湿过程的水分运移会直接破坏土体胶结，故黏聚力衰减剧烈。而内摩擦角的衰减主要源于循环作用导致的颗粒重排与密实度降低，该过程相对缓慢。因此，冻融-湿干循环条件下黄土抗剪强度的劣化主要受控于黏聚力的急剧损失。

　　此外，由图3还可以发现内摩擦角与黏聚力的大幅衰减主要集中于前5次循环作用，二者分别占总劣化度的70.56%与93.88%。这表明冻融-湿干循环次数对土体的劣化存在临界阈值，5次循环后土体力学性能将逐渐趋于稳定。

　　2 数值模拟

　　2.1 数值模型的建立

　　根据前述室内三轴试验结果，可知冻融-湿干循环会导致黄土抗剪强度显著劣化。为定量分析冻融-湿干循环效应对实际边坡长期稳定性的影响，本文采用FLAC3D数值模拟软件，通过强度折减法计算边坡在不同劣化阶段的安全系数。此外，为进一步探究边坡几何特征与环境劣化对边坡稳定性的影响程度，本研究还开展了不同坡高与坡角工况下的对比分析，并对循环次数、坡高、坡角各影响因素进行敏感性排序。

　　根据《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》(JTG/T D31-05-0217)，可知路堑黄土边坡坡率介于1：0.4-1：1.25，直线形黄土边坡高度≤15m。结合项目区内常见路堑边坡情况，将本次边坡基准模型设定为坡高15m、坡角50°。模拟方案的设定采用控制变量法，当研究循环劣化效应时，在基准模型基础上设定循环次数0、1、3、5、7;当研究坡高变量时，设定循环次数为7，在基准模型基础上设定坡高10m、15m、20m、25m、30m;当研究坡角变量时，设定循环次数为7，在基准模型基础上设定坡角30°、40°、50°、60°、70°。数值模型采用土体常用的摩尔-库伦本构模型。由前述室内试验测试结果，综合确定不同冻融-湿干循环次数下土体数值模型参数，如表1所示。

　　表1 数值模型参数取值结果

循环次数	密度 (kg/cm3)	弹性模量 (MPa)	内摩擦角 (°)	黏聚力 (kPa)	泊松比
0	1675	16.05	28.81	24.01	0.3
1	1675	14.37	28.65	22.05	0.3
3	1675	13.54	28.52	19.97	0.3
5	1675	11.19	27.18	13.73	0.3
7	1675	10.22	26.5	13.06	0.3

　　为减小模型边界条件影响，参考文献[8]可知，当边坡高度为H，则模型坡顶距离边界应为2.5H，整体模型高度应为2H、长度应为5H，据此建立的基准模型如图4所示。边界条件为模型两侧施加水平方向约束，模型底部进行全方向约束。模型仅考虑自重应力(即模拟自然状态)，采用强度折减法进行边坡安全系数计算。

　　2.2 结果分析

　　不同循环次数下边坡安全系数变化曲线如图5所示。由图可知，在坡高15m、坡角50°的基准模型条件下，边坡安全系数随冻融-湿干循环次数的增加呈现出递减趋势。未经循环作用时(0次)，边坡安全系数为1.41，处于稳定状态。经历7次循环后，安全系数下降至1.012，处于欠稳定状态，整体剪应变增量云图数值较大，滑裂面贯通性更好。值得注意的是，在循环初期(0次至3次)，安全系数从1.41降至1.28，下降幅度相对平缓;而当循环次数增至5次时，安全系数陡降，降至1.051。这表明多次循环作用对土体结构的损伤具有累积效应与非线性特征，即反复冻融-湿干循环会不断弱化土体抗剪强度，进而导致边坡稳定性持续降低。但当循环次数大于5次后，安全系数的下降将趋于平稳。

　　在固定循环次数(7次)条件下，分别改变坡体高度与角度，可以进一步探究边坡几何形态对其稳定性的影响。当坡角为50°，坡高由10m增至30m时，安全系数从1.27持续降至0.721，边坡由基本稳定状态转为不稳定状态。这表明边坡高度的增加显著增大了滑体的自重下滑力矩，同时潜在滑弧的深度与长度也随之增加，从而降低了边坡的整体安全储备。

　　当坡高为15m，坡角由30°增大至70°时，安全系数从1.582迅速下降至0.715，降幅为54.8%。坡角增加导致下滑力增大，且坡脚处的应力集中效应较为突出[9]，即陡峭边坡在经历冻融-湿干循环后更易趋向失稳。值得注意的是，30°至50°坡角区间内，安全系数下降速率相对较快，而50°之后相对减缓。这表明边坡稳定性可能存在一个临界坡角范围，超过该范围后稳定性对坡角变化的敏感度会发生降低。

　　将上述不同变量条件下安全系数利用灰色关联度理论进行分析，发现各变量对边坡稳定性影响程度由大到小分别为坡角>坡高>循环次数，三者权重分别占比为0.355、0.334、0.311。这表明对于黄土边坡的长期稳定性，初始的几何设计(尤其是坡角)是控制性因素，但环境循环作用仍不可忽视。经过多次循环后，即使初始安全系数较高的边坡，其稳定性也会逐步趋近于临界状态。因此，在气候变化强烈地区进行黄土边坡设计与稳定性评估时，必须充分考虑冻融-湿干循环的长期劣化效应，并为边坡预留足够的安全裕量以应对服役期内的循环劣化效应。

　　3 结论

　　本文通过室内三轴试验，研究了不同冻融-湿干循环条件下黄土抗剪强度特性。在此基础上，采用数值模拟分析了不同循环次数、坡高、坡角条件下边坡稳定性。主要结论如下：

　　1)冻融-湿干循环作用下黄土抗剪强度呈现显著劣化，且黏聚力衰减高于内摩擦角，黏聚力是强度弱化的主要因素。此外，土体力学参数劣化主要集中于前5次循环，而后逐渐趋于稳定。

　　2)冻融-湿干循环作用下边坡安全系数呈非线性衰减，且前5次循环为劣化关键阶段。边坡几何形态对稳定性影响显著，坡高增加与坡角增大均会导致安全系数降低，其中坡角影响最为突出，且存在临界坡角区间。

　　3)基于灰色关联度分析，黄土边坡稳定性影响权重依次为坡角(0.355)、坡高(0.334)和冻融-湿干循环次数(0.311)。边坡几何形态是稳定性的主导因素，但循环作用带来的长期强度劣化效应不可忽视，在气候敏感区边坡设计过程中需预留足够安全储备。

　　参考文献

　　[1]郅彬,刘浩,王尚杰,等.考虑干湿-冻融耦合损伤机制的结构性黄土强度准则[J/OL].水文地质工程地质,1-12[2025-11-16].

　　[2]孙孝敏.新建黄土隧道洞口边坡稳定性分析[J].北方交通,2020,(06):75-78.

　　[3]杨喜莲,何文社,刘尚昆.冻融循环对原状黄土抗剪强度的影响及微观解释[J].水电能源科学,2022,40(09):194-197.

　　[4]邱明明,李晓敏.极端干湿交替作用下浅层黄土剪切强度特性对比[J].中山大学学报(自然科学版中英文),2025,64(03):92-102.

　　[5]石玉玲,常洲,安宁,等.基于干湿循环试验的黄土路堑浅层边坡长期稳定性分析[J].交通运输工程学报,2023,23(04):104-115.

　　[6]王之鲁,王凯,吕闻起.考虑冻融因素的石灰改良黄土力学特性及边坡稳定性分析[J].科学技术与工程,2025,25(15):6453-6462.

　　[7]于洋,王根龙,宋飞,等.伊犁地区冻融黄土滑坡形成机理研究[J].工程地质学报,2023,31(04):1307-1318.

　　[8]李奇.黄土边坡稳定性影响因素统计分析与分级评价[D].沈阳工业大学,2021.

　　[9]王华宁,魏奕淼,宋飞,等.考虑非均质特性的黄土边坡稳定性分析[J/OL].工程力学,1-10[2025-11-16].

　　Effects of freeze-thaw-wet-dry cycles on the shear strength and slope stability of loess

　　Abstract: To investigate the strength characteristics of loess and the evolution laws of slope stability under freeze-thaw-wet-dry cycles, this study conducted indoor triaxial tests to explore the shear strength properties of loess under different cycle conditions.Based on this, numerical simulations were employed to analyze the safety factors of slopes under varying numbers of cycles, slope heights, and slope angles.The results show that the shear strength of loess significantly deteriorates with an increasing number of cycles, with cohesion decay being the dominant factor, and the deterioration primarily occurs within the first five cycles.The safety factor of slopes exhibits a nonlinear decay with an increasing number of cycles, and it is significantly influenced by slope height and slope angle, with changes in slope angle having the most pronounced effect on stability.Grey relational analysis indicates that the influence weights of slope angle, slope height, and the number of cycles on slope stability are 0.355, 0.334, and 0.311, respectively.It is recommended to emphasize geometric design and reserve a safety margin for long-term cyclic deterioration in loess slope engineering in climate-sensitive regions.

　　Key words: loess slopes;freeze-thaw-wet-dry cycles;shear strength; numerical simulation; safety factor