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水 利 学 报

２０２３年 ６月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ６期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０６ － ０７０６ － １２

冻融作用对岸坡土体宏微观特性及岸坡稳定性影响研究

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杨 震 ，冀鸿兰 ，李 超 ，牟献友 ，李扒拴 ２
（１．内蒙古农业大学 水利与土木建筑工程学院，内蒙古 呼和浩特 ０１００１８；
２．呼和浩特市托县乡村振兴统筹发展中心，内蒙古 呼和浩特 ０１０２００）
摘要：冻融作用是季冻区岸坡失稳破坏的主要原因。以黄河内蒙古什四份子弯道岸坡土体为对象，通过三轴剪切
和扫描电镜试验，研究了冻融作用下岸坡土体的宏观和微观特性，并基于强度折减法，对冻融前后岸坡稳定性进
行了分析。结果表明：随冻融循环次数增加，土体弹性模量、黏聚力和抗剪强度均呈减小趋势，其中弹性模量大
小与含水率成反比，黏聚力在 １５次冻融后降幅达 ４３．６％～６０．０４％，内摩擦角无明显变化规律；冻融后土体颗粒真
圆度和孔隙概率熵随冻融次数增加先下降后上升，颗粒分形维度变化趋势与之相反，土体定向性和孔隙率呈增大
趋势；黏聚力与土体孔隙率和颗粒真圆度相关，特别是与孔隙率呈高度负相关性，且土体微观参数间有明显的自
相关性；冻融后岸坡稳定安全系数降幅达 ４１．８％，说明冻融作用会显著降低岸坡稳定性，冻融后岸坡易发生失稳
破坏。
关键词：冻融循环；抗剪强度指标；微
观结构；岸坡稳定性；黄河内蒙古段
中图分类号：ＴＶ８７１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２０６０６

１ 研究背景

中国是世界冻土面积分布第三大国，多年冻土和季节性冻土占陆地总面积的 ２１．５％和 ５３．５％ ［１］ 。
黄河内蒙古段是典型的季节性冻土区，冻融过程作为一种物理风化作用，会破坏土体微观结构，改变
土体物理力学特性 ［２］ ，致使堤岸崩塌破坏。
为探究冻融作用下土 体 物 理 力 学 特 性，相 关 学 者 通 过 冻 融 循 环 试 验，研 究 了 冻 融 土 体 的 干 密
度 ［３ － ４］ 、渗透性 ［５ － ６］ 、弹性模量和 破 坏 强 度 ［７ － ９］ 、抗 剪 强 度 指 标 （黏 聚 力 和 内 摩 擦 角） ［１０ － １１］ 及 微 观 结
构 ［１２ － １４］ 等物理力学特性的变化规律。结果表明冻融循环作用会显著增强土体的渗透性 ［１５］ ，降低弹性
模量和破坏强度，随冻融循环次数的增加，土体黏聚力逐渐减小，内摩擦角增大 ［８］ ；Ｌｉｕ等 ［９］ 进一步
对粉砂开展冻融循环试验，发现冻融后土体弹性模量下降 ２６％～４５％，破坏强度下降 ３２％～４５％，内
摩擦角随冻融循环次数增加先减小后增大；范昊明等 ［１６］ 通过冻融循环试验研究了黑土力学特性的变化
规律，发现 ３次冻融循环以内土体黏聚力呈减小趋势，３次以后趋于稳定，且冻融循环次数一定时，
土体黏聚力随含水率的增加呈先减小后增大的趋势；方丽莉等 ［１７］ 进行粉质黏土冻融试验，得出冻融作
用会导致土体黏聚力和内摩擦角增大；还有研究表明冻融作用对于土体抗剪强度影响不大 ［１８］ 。可以发
现，由于试验土体材料、方法的差异，所揭示的冻融循环作用下土体特性的变化规律不尽相同。土体
物理力学特性发生变化是冻融效应的宏观体现，其内在机理是冻融作用改变了土体的微观结构。微观

收稿日期：２０２２ － ０７ － ２９；网络首发时间：２０２３ － ０５ － １５
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０５１２．１６５８．００５．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１９６９０２０，５２１６９０１７，５１９６９０２５）；内蒙古自然科学基金重点项目（２０２２ＺＤ０８）；２０１８自治区
应用技术研究与开发资金项目（ ２０１８０２１０４）
作者简介：杨震（ １９９６ － ），博士生，主要从事河道安全与生态研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｙａｎｇｚｈｅｎ＠ｅｍａｉｌｓ．ｉｍａｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：牟献友（１９６９ － ），博士，教授，主要从事寒区水工建（构）筑物水毁机理、河冰过程及其灾害控制研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｍｏｕｘ
ｉａｎｙｏｕ＠１６３．ｃｏｍ
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