土質(zhì)邊坡滑坡數(shù)值模擬研究

黃雪薇 覃佳 謝東旭

摘要：近幾十年以來，隨著經(jīng)濟發(fā)展，國家投入資金到基礎(chǔ)建設(shè)，形成了大量人工土質(zhì)邊坡，同時也引發(fā)了一系列安全問題。特別是由降雨造成的路堤破壞事故偏多，受降雨影響，路基沖刷嚴重、邊坡填料大量流失、土體產(chǎn)生溜塌[1]。本項目基于離散元理論，運用PFC2D數(shù)值模擬軟件，在前人研究基礎(chǔ)上，從邊坡滑坡實際過程出發(fā)，模擬土質(zhì)邊坡在滑坡過程中的破壞特性，探析邊坡破壞過程中變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：土質(zhì)邊坡;滑坡;PFC數(shù)值模擬

一、引言

隨著我國人口的上升，導(dǎo)致基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的力度加大，就會產(chǎn)生許多土質(zhì)場地。而許多的巖土邊坡工程的問題也隨之出現(xiàn)。邊坡作為在建筑行業(yè)的危險源，需要我們加大重視力度。而一旦發(fā)生邊坡失穩(wěn)就會造成重大事故，造成人民生命財產(chǎn)的損失[2]。而常見的邊坡破壞類型有松弛張裂、蠕動變形、坍塌、滑坡[3]。

因此，對土質(zhì)邊坡在滑坡過程中的細觀耦合機制研究尤為重要，可以準確判斷邊坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性從而防患于未然，對于建設(shè)和民生方面都有著重要的意義[4]。

我們必須了解土的各種力學(xué)參數(shù)，本文對土進行力學(xué)實驗和PFC數(shù)值模擬研究，從而了解土的物理力學(xué)特性以及探究土體顆粒細觀破壞機制，從而對土質(zhì)邊坡的性質(zhì)提供理論依據(jù)。

二、力學(xué)實驗概況

粘土在我們生活隨處可見，我們可以通過對直剪試驗的基本原理、基本操作方法和抗剪強度的基本理論的了解，進行粘土直剪實驗得到粘土物理力學(xué)參數(shù)，并做出相關(guān)分析。

首先對選取粘土進行篩分，然后將土樣分為4組，其組別為z-1、z-2、z-3、z-4。為了研究不同的法相應(yīng)力對粘土特性界面的影響，在剪切的時候

分別設(shè)置50KPa、100Kpa、200Kpa、400Kpa的法相應(yīng)力;在剪切時設(shè)定單調(diào)直剪切速率為0.8mm/min，剪切量為9mm。實驗主要研究粘土的物理力學(xué)參數(shù)。

2.1實驗前期準備

本課題的研究目的是重慶地區(qū)的粘土力學(xué)性質(zhì)，因此，實驗的材料來自于重慶科技學(xué)院東門邊坡的粘土，先將取回的土樣進行干燥并用粉碎機進行粉碎（具體見圖1），將粉碎的土樣用50目的篩網(wǎng)進行過濾，得到最大孔徑為0.28mm的土樣。

2.2實驗結(jié)果

本項實驗主要運用直剪儀測了四組不同壓力強度的粘土，其實驗結(jié)果如下：

三、二維剪切實驗

3.1二維剪切模型的建立

通過標定獲得參數(shù)，并在50Kpa的靜壓下進行二維剪切模擬。

3.2直剪實驗結(jié)果驗證

以圍壓為50Kpa下的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)楸容^，我們可以看出，通過對粘土進行PFC數(shù)值模擬直剪實驗擬得出的結(jié)果與室內(nèi)力學(xué)實驗下的結(jié)果變化規(guī)律較為一致，但是數(shù)值模擬的方式在實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)變化上表現(xiàn)的更為細致。

四、PFC滑坡數(shù)值模擬研究

4.1計算參數(shù)的選取

本次模型的邊坡為自行設(shè)計邊坡輪廓而來，而邊坡的宏觀力學(xué)參數(shù)主要有黏聚力和內(nèi)摩擦角等[5]。而在我們進行數(shù)值模擬時候需要輸入微觀力學(xué)參數(shù)，為的能夠得到表現(xiàn)宏觀參數(shù)的微觀參數(shù)，在模擬之前我們進行了二維直剪模擬實驗，并通過一系列的直剪模擬實驗與前面力學(xué)實驗得到的宏觀特征相應(yīng)的微觀力學(xué)參數(shù)[6]。

4.2計算模型的建立及模擬過程

本次模擬主要是在二維平面下研究。在邊坡中我們設(shè)置顆粒間的接觸為粘性接觸來模擬粘土，通過cycle循環(huán)使其達到充滿整個墻體，進行顆粒預(yù)壓。生成的未加筋邊坡模型。在未加筋的情況下，預(yù)壓結(jié)束之后，通過對邊坡賦值各種參數(shù)，然后刪除斜坡面墻體，設(shè)置重力進行計算，使邊坡破壞。在模擬時通過PFC程序中的displacement_x命令，顯示顆粒在邊坡破壞過程中的位移變化，從而對邊坡破壞變化過程進行對比。

4.3計算結(jié)果與分析

通過圖3的邊坡坡面破壞過程我們可以清楚的認識到粘土邊坡破壞過程顆粒的位移情況，在t=0時我們可以看到邊坡有部分顆粒就快要發(fā)生位移，這時說明坡體內(nèi)部不穩(wěn)定，隨著計算的運行更多顆粒開始下滑，在t=20min時候開始大面積滑動。這個過程一直到t=50min坡體才不會滑動，達到穩(wěn)定，這時坡體已近發(fā)生嚴重變形。

粘土邊坡是由許多細小顆粒組成的離散結(jié)構(gòu)體，屬于多孔介質(zhì)。由上面的邊坡破壞顆粒位移的過程我們可以知道：在坡體不穩(wěn)定的情況下，顆粒會發(fā)生移動，粒徑小顆粒會填補空襲，這時空襲就會減小，顆粒間強粘結(jié)受擠壓作用變形，逐漸轉(zhuǎn)化為強度弱的粘結(jié)，發(fā)生粘結(jié)斷裂。我們從總體來看可以發(fā)現(xiàn)坡面剛發(fā)生破壞時，坡體顆粒發(fā)生重新排列或滑動，滑動最先出現(xiàn)在坡腳，坡腳的顆粒最先發(fā)生位移并逐漸向上面延伸，顆粒逐漸向下滑動邊坡開始破壞，直到坡體再次達到穩(wěn)定邊坡破壞才結(jié)束。

運用PFC程序中的測量圓命令可以得到邊坡破壞過程中其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化，以其坡頂、坡中、坡腳三個部位來設(shè)置測量圓（具體見圖4），我們可以知道，三個測量點的應(yīng)力先是有短暫的應(yīng)力上升，達到一定峰值后才逐漸減小，最后逐漸平緩。坡體內(nèi)部的應(yīng)力先上升然后下降最后應(yīng)力平緩的過程，其實際是坡體變形過程中應(yīng)力重新分布產(chǎn)生的。這是因為我們在坡體運行前通過參數(shù)的改變使坡體進入不穩(wěn)定的狀態(tài)，程序運行時就會導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。從圖4中我們可以看到坡頂?shù)膽?yīng)力最先到達峰值，然后是坡中，最后是坡腳。這說明了這類坡體的破壞最先發(fā)生在坡頂部位。這與圖3邊坡破壞過程的表現(xiàn)是一致的。

4.4小結(jié)

邊坡的破壞過程是一個逐漸變化的過程。坡體在不穩(wěn)定的情況下發(fā)生變形破壞，這時邊坡應(yīng)力會局部增大，這是因為破壞過程中顆粒的應(yīng)力不斷的聚集，當坡體不可能承受這個應(yīng)力時，坡體發(fā)生邊坡破壞或者在重力作用下下滑。

（基金項目：重慶科技學(xué)院碩士研究生創(chuàng)新計劃項目-YKJCX1920725）

參考文獻

[1]黃世光. 準朔鐵路路基邊坡施工期水力侵蝕規(guī)律研究[D].北京交通大學(xué)，2012.

[2]潘昌樹，敬小非，秦梨，謝丹，龔秀蘭，張小順.加筋邊坡與加筋材料研究現(xiàn)狀[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2018，29（1）：135-142

[3]敬小非，潘昌樹，謝丹，等.尾礦庫潰壩泥石流相似模擬試驗臺設(shè)計及驗證[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2017，13（7）：24-29.

[4]邵琪琳.加筋土界面力學(xué)特性試驗及顆粒流數(shù)值模擬研究[D].青島：青島理工大學(xué)，2018.

[5]萬江，溫泉，昝世明.邊坡失穩(wěn)破壞的顆粒流模擬[J].四川建筑，2017，37（1）：111-113+116.

[6]王宇，李曉，王聲星，侯文詩.滑坡漸進破壞運動過程的顆粒流仿真模擬[J].長江科學(xué)院院報，2012，29（12）：46-52.

重慶科技學(xué)院重慶市沙坪壩區(qū)大學(xué)城東路21號 401331