秦巴山區(qū)粘性土坡穩(wěn)定性數(shù)值分析★

高 斌 郭 鴻* 趙 陽,2 姚 鵬 蘇一辰

(1.陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000； 2.寶雞市第一建筑工程有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

秦巴山區(qū)粘性土坡穩(wěn)定性數(shù)值分析★

高 斌1郭 鴻1*趙 陽1,2姚 鵬1蘇一辰1

(1.陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000； 2.寶雞市第一建筑工程有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

為了直觀的分析邊坡滑坡的細(xì)觀機(jī)理，利用離散元模擬，進(jìn)行了顆粒流模擬粘性土坡的變形破壞過程，從而對粘性土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，為粘性土邊坡的穩(wěn)定性分析提供了理論基礎(chǔ)。

粘性土，數(shù)值模擬，離散元

0 引言

自然界廣泛分布著殘積土，膨脹土等粘性土，殘積土、粘性土往往是非飽和的，在受外界不利因素(如地震、強(qiáng)降雨、人工作業(yè)等)的影響，可能會失去原有的穩(wěn)定性而發(fā)生滑動、傾倒等形式的破壞。土坡的失穩(wěn)破壞過程存在著土塊的滑移、翻轉(zhuǎn)和斷裂以及土體逐漸變松等較復(fù)雜的過程。土體在宏觀上具有不連續(xù)性以及單個塊體運動的隨機(jī)不確定性，邊坡土體不同位置的力學(xué)性質(zhì)、位移的規(guī)律等也不盡相同。因此研究土體的破壞過程是非常復(fù)雜的。離散元為Cundall[1，2]于1971年提出，是針對巖土體大位移非線性破壞的一種數(shù)值分析方法，它利用顆粒流模擬土坡變形破壞的過程從細(xì)觀上定義顆粒之間的接觸關(guān)系，該計算過程是邊坡內(nèi)部求得穩(wěn)定狀態(tài)的自然調(diào)整過程，故不要求具有連續(xù)的位移和協(xié)調(diào)的變形，通過模擬過程便可直觀得到邊坡滑倒、開裂的過程，以及最后滑裂面的形狀和位置。所以利用顆粒流模擬邊坡破壞特性是一種比較理想的途徑，本文利用顆粒流對秦巴山區(qū)粘性土坡的穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬，從而為該地區(qū)粘性土邊坡的防護(hù)與治理提供進(jìn)一步的參考。

1 粘性土坡的顆粒流模型

1.1 離散元方法簡介

離散元法主要思想是把整個介質(zhì)看作由一系列離散的獨立運動的粒子(單元)所組成，單元本身具有一定的幾何(形狀、大小、排列等)和物理、化學(xué)特性。其運動受經(jīng)典運動方程控制，整個介質(zhì)的變形和演化由各單元的運動和相互位置來描述。并被廣泛應(yīng)用于分析巖石力學(xué)問題的一種不連續(xù)數(shù)值模擬方法。二維顆粒流程序(PFC2D—particle flow code in 2-dimensions)作為離散元的一種[3]，是專門用于模擬固體力學(xué)大變形問題及顆粒流動問題的計算方法，它通過圓形離散單元來模擬顆粒介質(zhì)的運動及其相互作用 。由平面內(nèi)的平動和轉(zhuǎn)動運動方程來確定每一時刻顆粒的位置和速度。作為研究顆粒介質(zhì)特性的一種工具，它采用有代表性的數(shù)百個至上萬個顆粒單元，通過數(shù)值模擬實驗可以得到顆粒介質(zhì)本構(gòu)模型。

1.2 模型建立

本文采用PFC模擬滑坡穩(wěn)定，PFC建立的模型首先在自重作用下平衡后，再設(shè)置強(qiáng)度參數(shù)，建模時考慮到土體自身的重力環(huán)境。

首先建立高10 m，長20 m的邊坡。讓其先在自重作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基本模型初始穩(wěn)定狀態(tài)見圖1a)。接著對矩形邊坡基本模型進(jìn)行3次開挖，每次開挖2 m深度(開挖顆粒是為了產(chǎn)生卸載作用來破壞PFC模型整體性)建立邊坡模型，直到邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，坡高為6 m，坡角60°。我們?yōu)槿菀子^察細(xì)小顆粒的移動情況，把土體顆粒隔一定距離設(shè)置為不相同顏色，如圖1b)所示。

2 粘性土滑坡模擬及分析

粘性土邊坡的破壞形式受內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外界條件影響。從坡體自身結(jié)構(gòu)特點而言，柔軟結(jié)構(gòu)面和自身材料抗剪強(qiáng)度是決定坡體穩(wěn)定性的主要因素；從坡體外界環(huán)境而言，是由于自然因素和人類活動改變了邊界條件和降低了山體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)[4]。因此，有必要從坡體自身的結(jié)構(gòu)特點出發(fā)，研究粘性土邊坡的穩(wěn)定性。本文對于粘性土分別從粘性土邊坡沖刺式滑坡和粘性土邊坡非沖刺式滑坡進(jìn)行了顆粒流模擬。

2.1 粘性土坡沖刺式滑坡

如圖2所示,當(dāng)粘性土邊坡沖刺式滑坡步時達(dá)到一定值時，邊坡坡腳將產(chǎn)生一定的滑動，由于坡腳土質(zhì)硬度不夠，因此是坡腳直接刺進(jìn)土里，產(chǎn)生位移變動，坡面從上而下因位移的移動而產(chǎn)生細(xì)小的裂縫；隨著步時值的增大，坡腳滑移位移變大，從而導(dǎo)致坡面從上而下的裂縫擴(kuò)大，隨著裂縫的擴(kuò)大，坡體中部出現(xiàn)剪切滑動，邊坡上部開始有塊體翻滾滑落，坡體底部的土體因上部重壓而開始錯位；隨著步時的持續(xù)增大，邊坡從上而下的拉裂越來越大，底部的土體因上部重壓的錯位也隨之增大，最終整個邊坡出現(xiàn)平面滑動破壞。

2.2 粘性土坡非沖刺式滑坡

如圖3所示，當(dāng)粘性土非沖刺式滑坡步時達(dá)到某一數(shù)值時，邊坡坡腳開始順著底部向前滑動，由于邊坡底部土質(zhì)較硬，滑坡土體沒能沖刺進(jìn)入底部土體，坡面從上而下產(chǎn)生明顯的裂縫。隨著步時的逐步增大，邊坡坡腳順著底部向前的位移在增大，進(jìn)而加速了坡面拉裂裂縫的擴(kuò)大。隨著裂縫的增大，邊坡上部出現(xiàn)塊體翻滾滑落，上部土體不斷重壓導(dǎo)致底部錯位。隨著步時的持續(xù)增大，最終導(dǎo)致整個坡面出現(xiàn)平面滑動破壞，最后穩(wěn)定時坡腳前土體有隆起。

3 結(jié)語

通過資料對秦巴山區(qū)土性的基本了解，主要以粘性土邊坡為研究對象，利用顆粒流數(shù)值模擬方法，對粘性土邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，主要得出以下結(jié)論：

1)利用顆粒流程序可以較好的模擬邊坡變形和破壞的整個過程，不需要假定滑移面的位置和形狀，粒子根據(jù)接觸力的位置調(diào)整，最終從抗剪強(qiáng)度最弱的面發(fā)生剪切破壞。

2)通過利用顆粒流對粘性土邊坡滑坡過程進(jìn)行數(shù)值模擬，從模擬的結(jié)果可以看出：當(dāng)粘性土坡滑坡破壞時，起初是坡腳開始滑動，產(chǎn)生一定的位移，緊接著坡面上部產(chǎn)生拉裂裂縫，中部剪切，底部因上部重壓而產(chǎn)生錯位，最終導(dǎo)致整個坡面平面滑動。

[1] 胡 徽，陳 華，包文靜.邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析方法研究進(jìn)展[J].2010(8)：13-15.

[2] Cundall P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock systems[A].Proceeding of the symposium of the international society for rock mechanics[C].Nancy,France,1971.

[3] Itasca Consulting Group,Inc.PFC2D theory and background[M].Minneapolis:Minnesota,2004.

[4] 陳祖煜.土質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析——原理 方法 程序[M].北京：中國水利水電出版社，2003.

Numerical analysis of cohesive soil slope stability in Qinba Mountain area★

Gao Bin1Guo Hong1*Zhao Yang1，2Yao Peng1Su Yichen1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China;2.BaojiNo.1ConstructionCo.,Ltd,Baoji721006,China)

In order to intuitive analysis of slope landslide of fine microscopic mechanism, the discrete element simulation, using particle flow simulation of cohesive soil slope deformation and failure process, and to analyze the cohesive soil slope stability, it has provied theoretical foundation for choesive soil slope stability analysis.

cohesive soil， numerical simulation， discrete element method

2015-06-08★:陜西省教育廳基金和陜西理工學(xué)院創(chuàng)新訓(xùn)練計劃基金支持

高 斌(1993- )，男，在讀本科生； 趙 陽(1992- )，男； 姚 鵬(1992- )，男，在讀本科生； 蘇一辰(1993- )，女，在讀本科生

郭 鴻(1984- )，男，博士，講師

1009-6825(2015)23-0041-02

TU413.62

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