堆積體邊坡突變失穩(wěn)特性的離散元模擬分析

汪儒鴻，周海清，彭國(guó)園

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院 軍事設(shè)施系, 重慶 401331； 2.西北核技術(shù)研究所, 西安 710024)

我國(guó)是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國(guó)家，據(jù)我國(guó)地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)與規(guī)律的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的滑坡與泥石流災(zāi)害 70%以上與堆積體邊坡的變形破壞直接或間接有關(guān)，政府和社會(huì)為治理這些地質(zhì)災(zāi)害投入了大量的工程經(jīng)費(fèi)。在邊坡的破壞型式中，以花崗巖殘積土邊坡為代表的部分堆積體邊坡破壞作用特別巨大，它發(fā)生和進(jìn)行非常迅速，破壞前沒(méi)有明顯變形跡象，缺乏災(zāi)變預(yù)兆。為突出這類破壞與普通滑坡的區(qū)別，可將其稱之為邊坡的突變失穩(wěn)。2010年9月1日在云南省保山市隆陽(yáng)區(qū)瓦馬鄉(xiāng)河?xùn)|村發(fā)生了一起土質(zhì)滑坡，該起災(zāi)害發(fā)生突然，災(zāi)前沒(méi)有明顯的變形跡象，因此坡下的村民沒(méi)有引起警覺(jué)?；聠?dòng)后下滑快速，解體嚴(yán)重，破壞力巨大，導(dǎo)致48人的死亡和失蹤。

類似的滑坡并不鮮見(jiàn)，如2011年廣西全州縣洛江村發(fā)生的滑坡，2013年1月11日云南省鎮(zhèn)雄縣發(fā)生的滑坡等等，都具有突發(fā)、快速、解體嚴(yán)重的特點(diǎn)。而在目前的災(zāi)害防治體系中對(duì)邊坡的突變失穩(wěn)破壞尚無(wú)明確定義，更沒(méi)有統(tǒng)一的失穩(wěn)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。與之相近的災(zāi)害諸如紅色問(wèn)題土中的崩崗[1]、滑坡現(xiàn)象以及黃土邊坡中常見(jiàn)的滑塌[2]現(xiàn)象均帶有突變失穩(wěn)的部分特征，但又不能同一而論。例如花崗巖殘積土邊坡的路塹邊坡就常見(jiàn)沿軟弱結(jié)構(gòu)面的多滑面破壞，兼具災(zāi)前位移變形較小，解體嚴(yán)重的破壞特征。目前與邊坡突變失穩(wěn)相關(guān)的研究以花崗巖殘積土邊坡及黃土邊坡的研究為主：林威[3]通過(guò)對(duì)花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)及工程特性的研究，得出的結(jié)論為土體結(jié)構(gòu)性的存在增強(qiáng)了土體抵抗外荷載破壞的能力，但一旦結(jié)構(gòu)受到破壞邊坡穩(wěn)定性就會(huì)急劇下降；劉邦安[4]通過(guò)對(duì)人工制備結(jié)構(gòu)性土進(jìn)行室內(nèi)邊坡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)性土邊坡的靜力破壞具有均勻變形不明顯，表現(xiàn)出一定脆性破壞的特征；文獻(xiàn)[5-7]對(duì)黃土邊坡穩(wěn)定性的研究同樣反映出結(jié)構(gòu)性的存在使得黃土邊坡在失穩(wěn)過(guò)程中表現(xiàn)出突發(fā)性的特點(diǎn)，給該類邊坡災(zāi)害的合理預(yù)防帶來(lái)了較大困難。然而，以上研究均沒(méi)能完整定義出堆積體邊坡的突變失穩(wěn)特性，更無(wú)法對(duì)其特殊破壞現(xiàn)象加以量化分析。為提高對(duì)這類邊坡災(zāi)害的認(rèn)識(shí)，掌握其失穩(wěn)發(fā)育的內(nèi)在機(jī)理及規(guī)律，利用Pfc2D顆粒離散元軟件對(duì)堆積體邊坡的突變失穩(wěn)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)合邊坡破壞過(guò)程中土顆粒黏結(jié)強(qiáng)度的變化以及對(duì)坡體孔隙率的監(jiān)測(cè)，量化分析堆積體邊坡的突變失穩(wěn)特點(diǎn)，多角度將其與普通滑坡進(jìn)行了區(qū)分，重點(diǎn)討論了災(zāi)害成因及工程防范辦法。

1 堆積體邊坡突變失穩(wěn)特性的二維離散元模擬

周健[8]張小雪[9]等人利用顆粒離散元軟件對(duì)各類土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究指出：土性對(duì)邊坡的破壞型式有很大的影響。隨著顆粒黏性的增大，邊坡破壞類型從塑性破壞向脆性破壞過(guò)渡。而相關(guān)花崗巖殘積土力學(xué)特性的研究[3]也表明其天然原狀土具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度，如表1所示。

表1 花崗巖殘積土基本物理力學(xué)參數(shù)

結(jié)合以上研究來(lái)看，選用接觸黏接模型[10]作為數(shù)值模擬過(guò)程中土顆粒的微觀接觸模型最有可能模擬出邊坡的突變失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，將顆粒之間具有一定黏接強(qiáng)度的邊坡模型稱為實(shí)驗(yàn)組模型。同時(shí)，為突出邊坡突變失穩(wěn)與普通滑坡在位移變形、裂隙發(fā)育等特征上的區(qū)別，另設(shè)置一組對(duì)照組模型。對(duì)照組模型在實(shí)驗(yàn)組模型的基礎(chǔ)上，僅改變土體的黏接強(qiáng)度使之為零，其余土性參數(shù)均與實(shí)驗(yàn)組模型相同，目的在于模擬無(wú)粘性砂土邊坡的滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象[10]。

1.1 算例說(shuō)明

1.1.1 模型尺寸及相關(guān)參數(shù)選擇

以某處花崗巖殘積土邊坡作為參考對(duì)象，搭建PFC2D計(jì)算模型如圖1所示：邊坡垂直高程為15 m，坡角約為63°。為方便觀察邊坡的變形及破壞，每隔一定距離給粒子上色，選取坡腳B點(diǎn)及坡頂A點(diǎn)兩處特征點(diǎn)。由于當(dāng)前還沒(méi)有統(tǒng)一的方法確定離散元顆粒細(xì)觀參數(shù)與宏觀屬性的定量對(duì)應(yīng)關(guān)系，應(yīng)用最多的是通過(guò)雙軸壓縮試驗(yàn)和巴西盤拉伸試驗(yàn)不斷調(diào)整微觀參數(shù)與宏觀特性，最終匹配得到合理的細(xì)觀參數(shù)[11-12]。該過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，且相關(guān)研究較多，不作為本文研究重點(diǎn)，僅列出本文實(shí)驗(yàn)組模型的顆粒微觀參數(shù)如表2所示。

1.1.2 邊坡破壞方式

本次數(shù)值模擬的目的在于模擬堆積體邊坡的突變失穩(wěn)特性并將其與普通滑坡進(jìn)行對(duì)比，不需要對(duì)邊坡穩(wěn)定性加以詳細(xì)分析，只需要觀察到具有代表性的邊坡破壞特征即可。因此，對(duì)以上兩組邊坡均在原始模型的基礎(chǔ)上解除A、B兩點(diǎn)位置所在的三處邊界限制以模擬人工開(kāi)挖對(duì)邊坡造成的影響，再采用重力增加法使其失穩(wěn)，直至邊坡出現(xiàn)明顯的破壞特征。

表2 實(shí)驗(yàn)組邊坡顆粒微觀參數(shù)

1.2 邊坡破壞特征對(duì)比

圖2所示為兩組邊坡失穩(wěn)初期對(duì)比圖，圖2(a)為實(shí)驗(yàn)組邊坡，圖2(b)為對(duì)照組邊坡。可以發(fā)現(xiàn)：對(duì)照組邊坡在失穩(wěn)初期位移變形較大，坡腳及坡頂都有明顯的土體滑動(dòng)；實(shí)驗(yàn)組邊坡雖然整體位移變形較小，但邊坡內(nèi)部出現(xiàn)了巨大裂隙；圖3所示，為兩組邊坡失穩(wěn)中期對(duì)比圖，圖3(a)為實(shí)驗(yàn)組邊坡，圖3(b)為對(duì)照組邊坡。實(shí)驗(yàn)組邊坡在破壞過(guò)程中伴隨著坡頂裂隙不斷發(fā)育及大量土體崩塌，坡腳處也產(chǎn)生較大后緣張拉裂隙。邊坡破壞過(guò)程更加類似于逐級(jí)傾覆式的巖坡崩塌，有明顯的脆性破壞特征，基本觀察不到單一完整的滑面，說(shuō)明邊坡破壞并不是以滑動(dòng)為主。相比之下，對(duì)照組邊坡整體位移變形更大，除坡頂出現(xiàn)較小的張拉裂縫以外，整個(gè)坡體基本無(wú)較大裂隙產(chǎn)生，邊坡土體呈現(xiàn)出更加明顯的塑性流動(dòng)特征。

1.3 特征點(diǎn)粒子位移對(duì)比

邊坡失穩(wěn)過(guò)程中坡腳及坡頂位置往往最先出現(xiàn)位移變形。結(jié)合之前兩組邊坡的失穩(wěn)模擬效果，對(duì)各自模型邊界釋放之后坡頂特征點(diǎn)A點(diǎn)的Y坐標(biāo)及坡腳特征點(diǎn)B點(diǎn)的X坐標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并生成坐標(biāo)-時(shí)步圖以觀察邊坡的位移變形規(guī)律。需要說(shuō)明的是：數(shù)值模擬的計(jì)算時(shí)步并不對(duì)應(yīng)真實(shí)時(shí)間，但可以反映時(shí)間的線性變化，所以可以用來(lái)分析邊坡破壞隨時(shí)間的發(fā)展情況。兩組邊坡特征點(diǎn)坐標(biāo)監(jiān)測(cè)情況如圖4、圖5所示。

從坡頂特征點(diǎn)A點(diǎn)的Y軸坐標(biāo)來(lái)看：實(shí)驗(yàn)組邊坡失穩(wěn)初期A點(diǎn)粒子在Y方向的位移較小，但自15 000時(shí)步之后，該點(diǎn)在豎直方向的坐標(biāo)迅速下降，說(shuō)明坡體存在小變形到大變形的突變。從坐標(biāo)下降的斜率來(lái)看，其失穩(wěn)后的變形速度比對(duì)照組邊坡更快；對(duì)照組邊坡由于邊界條件解除，在應(yīng)力釋放的瞬間邊坡同樣即刻失穩(wěn)，但失穩(wěn)后坡頂一直保持著相對(duì)穩(wěn)定的變形速度。

從坡腳特征點(diǎn)B點(diǎn)的X軸坐標(biāo)來(lái)看：實(shí)驗(yàn)組邊坡B點(diǎn)的X坐標(biāo)在一個(gè)區(qū)間內(nèi)不斷振蕩，說(shuō)明邊坡失穩(wěn)并沒(méi)有導(dǎo)致坡腳粒子發(fā)生無(wú)限位移，結(jié)合圖3(a)的破壞示意圖，很有可能坡腳發(fā)生了局部崩塌使得該位置的粒子呈復(fù)雜的位移狀態(tài)，導(dǎo)致坐標(biāo)反復(fù)振蕩，而不是單純向前運(yùn)動(dòng)；相比之下，對(duì)照組邊坡的坡腳粒子具有明顯無(wú)限位移的特點(diǎn)，說(shuō)明整個(gè)坡體呈現(xiàn)塑性流動(dòng)狀態(tài)，后面的粒子推動(dòng)前面的粒子不斷向前運(yùn)動(dòng)。

1.4 結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，對(duì)照組邊坡的破壞模式使坡體在徹底破壞前容易積累位移變形，對(duì)監(jiān)測(cè)預(yù)警有利；而實(shí)驗(yàn)組邊坡表現(xiàn)出一定的突變失穩(wěn)特征，災(zāi)前位移變形較小，邊坡徹底失穩(wěn)發(fā)生比較突然，不易提前防范，容易造成巨大破壞。因此，可將堆積體邊坡的突變失穩(wěn)特性定性定義為：邊坡突變失穩(wěn)是一種災(zāi)前位移變形較小，邊坡徹底失穩(wěn)破壞前伴隨著大量裂隙發(fā)育，破壞過(guò)程中并非形成單一滑面有嚴(yán)重崩塌解體現(xiàn)象的自然災(zāi)害。

2 堆積體邊坡突變失穩(wěn)成因分析

通過(guò)PFC2D的可視化技術(shù)，在數(shù)值模擬過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)對(duì)邊坡粒子速度、方向、位置等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。結(jié)合之前對(duì)邊坡失穩(wěn)特征的數(shù)值分析，此類災(zāi)害最大的特點(diǎn)在于其具有一定的突發(fā)性。由于邊坡徹底失穩(wěn)前坡體的位移變形較小，不利于觀察，一旦完全失穩(wěn)就會(huì)迅速崩塌解體，造成巨大破壞。因此需要對(duì)其破壞規(guī)律展開(kāi)監(jiān)測(cè)量化分析，找出合理的預(yù)防手段。

從外在因素來(lái)看，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的原因通常包括人工開(kāi)挖、降雨入滲等等[13]；從邊坡內(nèi)部條件分析，天然裂隙及軟弱夾層的存在也是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的潛在因素[14]。結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果：邊坡在突變失穩(wěn)過(guò)程中表現(xiàn)出大量張拉裂隙的產(chǎn)生，裂隙發(fā)育與失穩(wěn)幾乎同時(shí)。相比之下，正常的滑坡在均質(zhì)土坡中產(chǎn)生的張拉裂隙相對(duì)較少。因此，對(duì)觀察到邊坡裂隙發(fā)育最多的區(qū)域進(jìn)行孔隙率的實(shí)時(shí)檢測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6、圖7。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果來(lái)看：實(shí)驗(yàn)組邊坡監(jiān)測(cè)區(qū)域的坡體孔隙率同樣經(jīng)歷了一個(gè)突變，且突變的時(shí)間點(diǎn)稍早于坡頂粒子縱坐標(biāo)的突變點(diǎn)，說(shuō)明邊坡的裂隙發(fā)育在邊坡徹底失穩(wěn)變形之前，發(fā)生突變失穩(wěn)的邊坡在內(nèi)外界條件影響下坡體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生大量原生或次生裂隙。相比之下，對(duì)照組邊坡一直處于孔隙率的穩(wěn)定變化中，這是因?yàn)檫吔玑尫藕笃麦w顆粒在失穩(wěn)過(guò)程中微觀接觸不斷被破壞，相互間變得更加松散，并且坡頂不斷出現(xiàn)粒子滑落，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)區(qū)的孔隙率在初期一直穩(wěn)定變化，沒(méi)有大的突變，坡體也沒(méi)有大的裂隙形成。因此，可基本認(rèn)為堆積體邊坡的突變失穩(wěn)現(xiàn)象與邊坡的裂隙發(fā)育有關(guān)。

3 突變失穩(wěn)災(zāi)害的工程防范辦法

本文以均質(zhì)土坡為主要研究對(duì)象的數(shù)值模擬結(jié)果驗(yàn)證了邊坡突變失穩(wěn)并不僅僅包含滑坡，而是兼具崩塌、解體等現(xiàn)象。一個(gè)合理的假設(shè)就是：內(nèi)部裂隙的發(fā)育及累積是導(dǎo)致邊坡突變失穩(wěn)的主要原因。對(duì)部分土質(zhì)邊坡而言，邊坡失穩(wěn)之后并不會(huì)立即形成滑面并沿著滑面下滑，而是在內(nèi)部累積大量裂隙后才會(huì)迅速失穩(wěn)，表現(xiàn)出突發(fā)性。相關(guān)研究亦從一定角度驗(yàn)證了該假設(shè)的合理性：吳能森等[15]的研究指出花崗巖殘積土邊坡的因臨空面形成、大氣作用形成的張拉裂隙容易導(dǎo)致路塹邊坡突然失穩(wěn)；阮林龍等[16]的研究認(rèn)為花崗巖殘積土邊坡的原生裂隙及次生裂隙對(duì)該類邊坡的穩(wěn)定性起決定作用，而該類邊坡通常具有災(zāi)前預(yù)兆不明顯、突發(fā)性強(qiáng)的特點(diǎn)。因此對(duì)有可能出現(xiàn)突變失穩(wěn)破壞的堆積體邊坡，對(duì)坡體裂隙的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以提前預(yù)警是有效的防范辦法。在工程實(shí)踐中，對(duì)隱患邊坡應(yīng)該采取大范圍的地表裂隙篩查，對(duì)重點(diǎn)地段如邊坡坡頂采取地質(zhì)雷達(dá)探傷以提前獲得邊坡失穩(wěn)前內(nèi)部結(jié)構(gòu)面出現(xiàn)張裂、深部裂隙發(fā)育等等信息，做到提前預(yù)警，及時(shí)防范。

4 結(jié)論

結(jié)合PFC2D顆粒離散元軟件，對(duì)堆積體邊坡的突變失穩(wěn)現(xiàn)象進(jìn)行了數(shù)值模擬以及初步的量化分析，得到結(jié)論如下：

1) 部分堆積體邊坡存在突變失穩(wěn)特性，在失穩(wěn)破壞過(guò)程中表現(xiàn)為災(zāi)前位移變形較小，發(fā)展速度較快，并非形成單一滑面而是兼具崩塌解體特點(diǎn)。

2) 堆積體邊坡突變失穩(wěn)災(zāi)害的產(chǎn)生與坡體內(nèi)部的裂隙發(fā)育密切相關(guān)。由于邊坡徹底失穩(wěn)破壞前會(huì)積累產(chǎn)生大量的原生或次生裂隙，因此，對(duì)具有突變失穩(wěn)隱患的堆積體邊坡，在外界擾動(dòng)影響較大的情況下，可通過(guò)地質(zhì)探傷儀等儀器對(duì)邊坡裂隙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提前預(yù)警以起到防范的作用。

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