接觸帶土層軟化對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響分析

陳泰浩，劉順青，徐一鳴，陳 杰

(1.保利長(zhǎng)大工程有限公司，廣東 廣州 510620；2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212005)

排土場(chǎng)邊坡是一種由人類活動(dòng)而形成的渣土混合體邊坡[1-2]，隨著我國(guó)城市建設(shè)進(jìn)程的迅速發(fā)展，排土場(chǎng)邊坡廣泛分布于城鎮(zhèn)、礦山、道路等人類活動(dòng)區(qū)附近。排土場(chǎng)邊坡失穩(wěn)會(huì)對(duì)人民生命財(cái)產(chǎn)造成嚴(yán)重影響[3]。因此，為保證排土場(chǎng)邊坡的運(yùn)營(yíng)安全，防止引發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，需要對(duì)排土場(chǎng)的邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。排土場(chǎng)通常由上部渣土層和下部基底兩部分構(gòu)成。排土場(chǎng)的廢棄物通常為渣土混合體，基底可為土或基巖[4-5]。當(dāng)排土場(chǎng)基底為基巖時(shí)，因上部的渣土混合體滲透系數(shù)較大，下部基巖滲透系數(shù)很小，常常會(huì)在基巖面處形成一滯水層。排土場(chǎng)上部渣土層和下部基巖面接觸處的土體常常因滯水而形成一定厚度的軟化接觸帶。近年來(lái)，很多國(guó)家的排土場(chǎng)因軟化接觸帶的存在而發(fā)生滑坡[6-9]，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)含軟弱基底排土場(chǎng)的滑坡機(jī)理進(jìn)行了研究[10-15]，但目前已有的成果都未系統(tǒng)考慮接觸帶軟化特性對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響。

本文通過(guò)構(gòu)建含軟化接觸帶排土場(chǎng)邊坡的數(shù)值分析模型，系統(tǒng)分析堆填角度、基巖傾角、軟化接觸帶厚度以及接觸帶軟化程度對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并通過(guò)具體的排土場(chǎng)邊坡實(shí)例驗(yàn)證本文分析方法的可行性。研究結(jié)果可為各類排土場(chǎng)邊坡的設(shè)計(jì)及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)，具有實(shí)際工程意義。

1 含接觸帶排土場(chǎng)邊坡數(shù)值模型的建立

本文采用有限元極限分析程序OPTUM G2[16]建立含軟化接觸帶排土場(chǎng)邊坡的數(shù)值模型，計(jì)算分析模型如圖1所示。

圖1 含軟化接觸帶排土場(chǎng)邊坡計(jì)算模型圖Fig.1 Calculation model diagram of dump slope containing soft contact zone

排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)“渣土”、“接觸帶”、“基巖”的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫(kù)倫模型，具體的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 排土場(chǎng)邊坡計(jì)算參數(shù)

有限元極限分析軟件OPTUM G2在計(jì)算排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性時(shí)，采用強(qiáng)度折減法，邊坡的安全系數(shù)為：

(1)

式中，ccr和φcr為排土場(chǎng)邊坡處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)時(shí)巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角，c和φ為正常巖土體的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

圖2中給出了采用有限元下限法計(jì)算排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)的分析流程。安全系數(shù)上限法與此類似，上限解輸出改為Fsmax。TOL為收斂精度，論文中取0.001。

圖2 排土場(chǎng)邊坡有限元下限安全系數(shù)的分析流程Fig.2 Analysis flow of lower limit safety factor of dump slope

2 堆填角度對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響

為分析堆填角度對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，選取軟化接觸帶的厚度為0.5 m，基巖傾角為0°，堆填角度分別為21.8°(坡比1∶2.5)、26.6°(坡比1∶2)、33.7°(坡比1∶1.5)、45°(坡比1∶1)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看出，當(dāng)排土場(chǎng)渣土層的堆填角度在21.8°～45°變化時(shí)，排土場(chǎng)邊坡的下限安全系數(shù)從1.787降低到1.143，上限安全系數(shù)從1.842降低到1.185，減小幅度都約為36%?？梢?jiàn)，隨著渣土層堆填角度的增大，排土場(chǎng)邊坡逐漸由穩(wěn)定狀態(tài)向不穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變，安全系數(shù)變化幅度較大，因此在渣土層堆放時(shí)，應(yīng)選擇好合適的堆填角度。

圖3 不同堆填角度下排土場(chǎng)邊坡下、上限安全系數(shù)Fig.3 Lower and upper limit safety factor of dump slopes under different landfill angles

分別選取堆填角度為21.8°及45°時(shí)排土場(chǎng)邊坡的下限剪切耗散(塑性變形指標(biāo))進(jìn)行研究。從圖4、圖5中可以看出，含軟化接觸帶的排土場(chǎng)邊坡滑動(dòng)時(shí)，滑動(dòng)面都穿過(guò)軟化接觸帶，并且隨著堆填角度的增大，滑動(dòng)圓弧穿過(guò)軟化接觸帶的長(zhǎng)度逐漸減小，其安全系數(shù)也逐漸減小。其他堆填角度下的下限剪切耗散圖與此類似，不再列舉。

圖4 堆填角度為21.8°時(shí)排土場(chǎng)邊坡的下限剪切耗散圖Fig.4 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope when landfill angle is 21.8 °

圖5 堆填角度為45°時(shí)排土場(chǎng)邊坡的下限剪切耗散圖Fig.5 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope at landfill angle of 45°

3 基巖傾角對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響

為分析基巖傾角對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，選取堆填坡比為1∶2，軟化接觸帶的厚度為0.5 m，基巖傾角分別為0°、2°、4°、6°、8°、10°，對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同基巖傾角下排土場(chǎng)邊坡下、上限安全系數(shù)Fig.6 Lower and upper limit safety factor of dump slopes under different dip angles of bedrock

從圖6中可以看出，當(dāng)排土場(chǎng)的基巖在0°～10°變化時(shí)，排土場(chǎng)邊坡的下限安全系數(shù)從1.584降低到1.391，上限安全系數(shù)從1.632降低到1.438，減小幅度都約為12%。

4 軟化接觸帶厚度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為分析軟化接觸帶厚度對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，選取堆填坡比為1∶2，基巖傾角為0°，軟化接觸帶厚度分別為0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 m對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)排土場(chǎng)邊坡軟化接觸帶厚度在0.1～0.9 m變化時(shí)，邊坡的下限安全系數(shù)從1.619降低到1.540，上限安全系數(shù)從1.666降低到1.597，減小幅度都約為5%?？梢?jiàn)，軟化接觸帶厚度對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響較小。

圖7 不同軟化接觸帶厚度下二元結(jié)構(gòu)邊坡下、上限安全系數(shù)Fig.7 Lower and upper limit safety factor of dump slopes under different thicknesses of softening contact zones

5 接觸帶軟化程度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

為定量分析接觸帶軟化程度對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響，定義接觸帶土體的軟化度η：

(2)

式中，f軟化土體、f土體分別為接觸帶軟化土層及未軟化土層的土體參數(shù)。

根據(jù)已有的研究[17]，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大的土體參數(shù)為黏聚力及內(nèi)摩擦角，所以本文重點(diǎn)考慮黏聚力和內(nèi)摩擦角的軟化。為了便于分析，采用相同的軟化度對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減。排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，選取堆填坡比為1∶2，基巖傾角為0°，軟化土層厚度為0.5 m，軟化度η分別取1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。從圖8中可以看出，當(dāng)軟化度在1.0～0.2變化時(shí)，排土場(chǎng)邊坡的下限安全系數(shù)從2.089降低到1.091；上限安全系數(shù)從2.130降低到1.134。可見(jiàn)，接觸帶土體的軟化對(duì)排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性的影響很大。

圖8 不同軟化度下排土場(chǎng)邊坡下、上限安全系數(shù)Fig.8 Lower and upper limit safety factor of dump slopes under different softening degrees

圖9 軟化度為1.0時(shí)排土場(chǎng)邊坡的下限剪切耗散圖Fig.9 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope with softening degree of 1.0

圖10 軟化度為0.5時(shí)排土場(chǎng)邊坡的下限剪切耗散圖Fig.10 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope wtih softening degree of 0.5

圖11 軟化度為0.2時(shí)排土場(chǎng)邊坡的下限剪切耗散圖Fig.11 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope with softening degree of 0.2

分別選取軟化度為1.0、0.5及0.3 m時(shí)排土場(chǎng)邊坡的下限剪切耗散進(jìn)行研究，如圖9—圖11所示。從圖中可以看出，相同的堆填角度、基巖傾角及軟化接觸帶厚度下，隨著軟化度的不斷減小，排土場(chǎng)邊坡滑動(dòng)面穿過(guò)軟化土層的長(zhǎng)度逐漸變大，滑體總體積不斷增大。其他軟化度下的下限 剪切耗散圖與此類似，不再列舉。

為定量分析軟化度對(duì)排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)的影響，給出排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)絕對(duì)衰減率Δi的定義：

(3)

式中，F(xiàn)i、F0分別為不同軟化度與土層未軟化(軟化度為1.0)時(shí)排土場(chǎng)邊坡的安全系數(shù)。

圖12 不同軟化度下排土場(chǎng)邊坡下、上限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率Fig.12 Reduction ratio of lower and upper limit safety factor of dump slopes under different softening degree

為使問(wèn)題更清晰，按式(3)分別計(jì)算了不同軟化度下排土場(chǎng)邊坡安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。從圖12可以看出，當(dāng)接觸帶土層的軟化度在1.0～0.2變化時(shí)，排土場(chǎng)邊坡下限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率在0～47.8%變化，上限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率在0～46.6%變化?？梢?jiàn)，隨著接觸帶土層的不斷軟化，排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性逐漸降低，當(dāng)達(dá)到某一臨界值時(shí)，排土場(chǎng)邊坡會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞。

6 排土場(chǎng)邊坡實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文分析方法的可行性，選擇與某排土場(chǎng)邊坡[15,18]相同的幾何模型及渣土層參數(shù)對(duì)本文的分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算模型如圖13所示。排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)“渣土”、“接觸帶土層”、“基巖”的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫(kù)倫模型，具體的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

圖13 排土場(chǎng)邊坡計(jì)算模型圖Fig.13 Calculation model diagram of dump slope

組成重度/(kN·m-3)彈性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa內(nèi)摩擦角/(°)渣土18.91500.352920接觸帶土(軟化度0.5)20.2700.4514.510基巖25.02 0000.230040

該排土場(chǎng)邊坡在不同接觸帶軟化度下的穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如表3所示，其安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率如圖13所示。從表3中可以看出，該排土場(chǎng)邊坡不考慮接觸帶土層軟化時(shí)，邊坡下、上限安全系數(shù)分別為2.008和2.047，此時(shí)的邊坡穩(wěn)定性程度較高。隨著接觸帶土體的不斷軟化，邊坡的下、上限安全系數(shù)逐漸減小，當(dāng)軟化度達(dá)到0.2左右時(shí)，邊坡接近臨界滑動(dòng)狀態(tài)。從圖13可以看出，當(dāng)接觸帶土層的軟化度在1.0～0.1變化時(shí)，排土場(chǎng)邊坡下限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率在0～56.0%變化，上限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率在0～55.1%變化。因排土場(chǎng)模型邊坡中傾斜軟化接觸帶土層的存在，邊坡中下部土體推擠坡腳前緣和牽引后部坡體滑動(dòng)，最終在坡體內(nèi)部形成由軟化接觸帶到坡頂?shù)呢炌ɑ衙?，研究結(jié)果與文獻(xiàn)[15,18]中模型邊坡的滑動(dòng)趨勢(shì)一致?？梢?jiàn)，接觸帶軟化對(duì)該排土場(chǎng)邊坡的穩(wěn)定性有著極其不利的影響。

表3 排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性分析結(jié)果

圖14 不同軟化度下排土場(chǎng)邊坡下、上限安全系數(shù)的絕對(duì)衰減率Fig.14 Reduction ratio of lower and upper limit safety factor of dump slopes under different softening degree

7 結(jié)論

1)相同的軟化帶厚度及基巖傾角下，隨著堆填角度的增大，排土場(chǎng)邊坡的下、上限安全系數(shù)影響很大。

2)同等條件下，基巖傾角和軟化接觸帶的厚度對(duì)排土場(chǎng)邊坡的下、上限安全系數(shù)影響較小。

3)相同的堆載角度、基巖傾角及軟化土層厚度下，接觸帶的軟化度對(duì)排土場(chǎng)邊坡的影響極大，排土場(chǎng)邊坡的下、上限安全系數(shù)絕對(duì)衰減率可達(dá)50%左右。

4)隨著接觸帶土層的不斷軟化，排土場(chǎng)邊坡滑動(dòng)面穿過(guò)軟化接觸帶的長(zhǎng)度逐漸變大，滑坡總體積不斷增大。

5)因軟化接觸帶土層的存在，排土場(chǎng)邊坡中下部土體推擠坡腳前緣及牽引后部坡體滑動(dòng)，最終形成由軟化接觸帶到坡頂?shù)呢炌ɑ衙妗?/p>