基于含石量差異的土石復(fù)合體邊坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機(jī)制分析

摘要：文章借助FLAC數(shù)值模擬系統(tǒng)，將土石復(fù)合體視為一種二元物材料，以數(shù)理模擬計(jì)算的方式，對(duì)含石量差異下的土石復(fù)合體邊坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機(jī)制問(wèn)題進(jìn)行分析，以為同類工程應(yīng)用提供研究和技術(shù)參考，助力建設(shè)安全牢固的土石復(fù)合體邊坡工程。

關(guān)鍵詞：土石邊坡;復(fù)合體;含石量;穩(wěn)定性;失穩(wěn)機(jī)制;分析探究

0 引言

在工程中，通常將土石復(fù)合體看作是一種特殊的均質(zhì)土體進(jìn)行處理，也會(huì)將其看作是不可分割的整體進(jìn)行處理，由此便可直接確定出其整體抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和φ。在對(duì)瑪河流域內(nèi)土石復(fù)合體邊坡的現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行實(shí)地考察與深入研究后發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)的塊石不僅分布差異大，而且構(gòu)成量不均。如果將該邊坡計(jì)算模型設(shè)定為單一地質(zhì)體構(gòu)造，并將土石復(fù)合體看作是一種不間斷均質(zhì)地質(zhì)材料，由此生成的計(jì)算結(jié)果與其他性質(zhì)的邊坡大體相同，但與現(xiàn)實(shí)情況卻存在很大不同。故在本研究中，筆者將土石復(fù)合體視為一種二元物材料進(jìn)行數(shù)值模擬分析，也就是說(shuō)，邊坡構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，只由黏土和塊石構(gòu)成。具體來(lái)講，先根據(jù)塊石構(gòu)成量建立相匹配的邊坡模型，再將黏性土視為基質(zhì)，無(wú)規(guī)律地分布?jí)K石。

1 模擬土石復(fù)合體邊坡方法簡(jiǎn)述

無(wú)論哪種性質(zhì)的材料，一般的計(jì)算方法都根據(jù)勘察材料對(duì)邊坡進(jìn)行地層劃分，還會(huì)將各地層全部看作是均質(zhì)體。不過(guò)，由于土石復(fù)合體邊坡與常規(guī)邊坡不同，倘若也將其看作均勻地質(zhì)體，則很難達(dá)到預(yù)期的優(yōu)化效果，因此需將其看作是一種“二元物”材料，即只由黏土和塊石組成的一種簡(jiǎn)單構(gòu)造。由于塊石有大有小，分布過(guò)于散亂，不僅增強(qiáng)了土石復(fù)合體的力學(xué)復(fù)雜性，還形成了不同尋常的損壞模式。本文旨在從源頭上探討土石復(fù)合體邊坡的穩(wěn)態(tài)性和失穩(wěn)機(jī)制，引入了功能強(qiáng)大、操作便捷的FLAC模擬系統(tǒng)，期望能獲得更客觀、更真實(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

1.1 FLAC簡(jiǎn)介

FLAC數(shù)值模擬系統(tǒng)是當(dāng)前頗受業(yè)界人士推崇與青睞的一款專業(yè)分析軟件，它由國(guó)外知名企業(yè)Itasca自主研發(fā)，現(xiàn)已憑借操作便捷、功能強(qiáng)大、精準(zhǔn)可靠等優(yōu)勢(shì)在支護(hù)設(shè)計(jì)、礦山工程等眾多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了規(guī)?；占芭c廣泛應(yīng)用。由于FLAC在模擬地質(zhì)材料方面具有無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需過(guò)多計(jì)算便能推導(dǎo)出邊坡的安全常數(shù)，確定出剪應(yīng)變帶及彈塑區(qū)，因此成為巖土工程領(lǐng)域研究的常用軟件之一。另外，F(xiàn)LAC內(nèi)置主流編程語(yǔ)言FISH，用戶可根據(jù)自身需求設(shè)計(jì)相應(yīng)的程序語(yǔ)句，以確保FLAC的功能優(yōu)勢(shì)被全面發(fā)揮。在本課題研究中，筆者利用強(qiáng)大的FISH語(yǔ)言編寫算法語(yǔ)句并對(duì)土石復(fù)合體中的土石構(gòu)造進(jìn)行直接模擬，而這些操作可完全通過(guò)FLAC軟件完成，用戶不用另行外接編碼程序。值得一提的是，本方法支持用戶對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的自行設(shè)定，比如模型規(guī)格、單位長(zhǎng)度和塊石構(gòu)成量等。

1.2 模擬土石復(fù)合體邊坡的模型實(shí)現(xiàn)方法

在本研究中，可將土石復(fù)合體看作是只由塊石和土體構(gòu)成的“二元物”構(gòu)造。為簡(jiǎn)化模擬程序、減少計(jì)算量，需借助FLAC中的網(wǎng)絡(luò)單元對(duì)土體和塊石的屬性進(jìn)行賦值。但在實(shí)際操作中，需注意以下幾點(diǎn)：（1）如何實(shí)現(xiàn)塊石離散、隨機(jī)分布，以盡可能地貼合實(shí)際情況，并非人為地分布?jí)K石;（2）如何合理確定含石量。實(shí)際上，利用FISH語(yǔ)言編程就能妥善解決上述問(wèn)題。

在FLAC模擬分析軟件中，可通過(guò)坐標(biāo)（i，j）對(duì)網(wǎng)絡(luò)部位進(jìn)行標(biāo)記，為保證塊石隨機(jī)分布，可通過(guò)自行編制的FISH語(yǔ)言生成隨機(jī)實(shí)數(shù)對(duì)（i，j）來(lái)實(shí)現(xiàn)，i及j指的是網(wǎng)絡(luò)的橫、縱坐標(biāo)。由此便可通過(guò)科學(xué)定位的方式隨機(jī)分布?jí)K石，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)數(shù)目定義含石量。

2 土石復(fù)合體邊坡數(shù)理模型

由于在本研究中只涵蓋了土體和塊石這兩種簡(jiǎn)單的地質(zhì)材料，為深入探討與全面研究邊坡穩(wěn)態(tài)性，要先確定出這兩種材料的物理力學(xué)參數(shù)值。筆者根據(jù)文獻(xiàn)，利用Mohr-Coulomb模型確定了這兩種材料物理力學(xué)參數(shù)的具體值，見表1。

通過(guò)細(xì)致觀察可以發(fā)現(xiàn)，邊坡模型規(guī)格與前文反演計(jì)算邊坡模型無(wú)任何差異。為精準(zhǔn)確定出不同含石量對(duì)邊坡穩(wěn)態(tài)性和失穩(wěn)機(jī)制造成的影響，筆者先對(duì)均質(zhì)土質(zhì)邊坡進(jìn)行了有效計(jì)算，也就是對(duì)含石量為0的邊坡穩(wěn)態(tài)性進(jìn)行了勘察計(jì)算，并將由此生成的結(jié)果作為參照。邊坡計(jì)算模型網(wǎng)絡(luò)邊長(zhǎng)度為0.33 m，由于土石復(fù)合體中>0.33 m的塊石構(gòu)成量低于50%，所以筆者只對(duì)含石量≤50%的邊坡穩(wěn)態(tài)性進(jìn)行研究。

通過(guò)圖1可對(duì)不同含石量的邊坡穩(wěn)態(tài)性有更直觀的了解與認(rèn)知。其中，土體用黑色塊描述，塊石用白點(diǎn)描述。在含石量相同但塊石分布不同的情況下，通過(guò)本方法也能構(gòu)建出相匹配的邊坡模型，從而也就能探討出塊石分布與邊坡穩(wěn)態(tài)性之間的關(guān)系。

3.1 邊坡的穩(wěn)定性和失穩(wěn)路徑分析

通過(guò)圖2可對(duì)含石量差異下邊坡的安全常數(shù)演變曲線有更直觀的了解與認(rèn)知。為了實(shí)施比對(duì)分析，筆者專門設(shè)置了A、B、C這3組，以探討出塊石分布不同但含石量遞增使土石復(fù)合體邊坡穩(wěn)定性發(fā)生變化的情況。但因?yàn)槠^短，只構(gòu)建了A組含石量為0～50%塊石分布邊坡模型。通過(guò)圖2數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在含石量為0的情況下，邊坡的安全常數(shù)為1.04。在含石量不斷增大的情況下，邊坡的安全常數(shù)也表現(xiàn)出明顯的遞增趨勢(shì)。很明顯，這與宏觀認(rèn)知是完全相同的，也就是說(shuō)塊石的含石量與土質(zhì)邊坡的力學(xué)機(jī)能變化存在直接聯(lián)系，不過(guò)因?yàn)槊拷M邊坡的塊石分布不同，即便含石量不斷增大，邊坡的安全常數(shù)走勢(shì)也會(huì)出現(xiàn)明顯差異。在含石量不斷增大的情況下，B組的安全常數(shù)迅速升到了1.22，而A僅為1.14。但C組卻出現(xiàn)了截然不同的情況，雖然含石量持續(xù)增加，不過(guò)安全常數(shù)卻一直走低，說(shuō)明這與土體本身的特性存在密切關(guān)聯(lián)。在FLAC模擬系統(tǒng)中，利用強(qiáng)度折減法對(duì)邊坡穩(wěn)態(tài)性進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將有無(wú)彈塑區(qū)貫通或計(jì)算不收斂作為失穩(wěn)判定依據(jù)。由于土體構(gòu)成量隨著塊石構(gòu)成量的不斷增大而持續(xù)走低，而且低強(qiáng)度土體容易形成彈塑區(qū)，所以含石量增大會(huì)加大彈塑區(qū)貫通難度，從而也就能有效強(qiáng)化邊坡穩(wěn)態(tài)性。不過(guò)因?yàn)閴K石是隨機(jī)分布，一旦過(guò)度集中于坡體上部，必然會(huì)加大下滑力，反倒更容易使彈塑區(qū)貫通，也就無(wú)法保證邊坡的穩(wěn)定性。當(dāng)含石量為30%及40%時(shí)，B、C兩組的安全常數(shù)一致，這表明在塊石分布不同的條件下，邊坡的整體穩(wěn)態(tài)性也能相統(tǒng)一，但并不意味著邊坡的失穩(wěn)機(jī)制是完全一致的。[FL）]

通過(guò)圖3可對(duì)含石量為0～50%的邊坡滑移帶的演變情況有更直觀的認(rèn)知與了解。邊坡的滑移帶在含石量為0也就是說(shuō)邊坡為均質(zhì)土質(zhì)構(gòu)造的情況下，呈不規(guī)則形狀，邊坡中部和底部形成了最大切剪應(yīng)變力，滑移帶整體呈弧線形。邊坡的最大切剪應(yīng)變率因含石量持續(xù)增大而相應(yīng)減低，由此表明，塊石的嵌入能對(duì)邊坡的力學(xué)機(jī)能起到良好的改善作用，還能從整體上強(qiáng)化邊坡抗剪力。相較于均質(zhì)土質(zhì)邊坡，土石復(fù)合體邊坡的滑移帶則因含石量增加而呈現(xiàn)凹凸不平的形狀，不僅寬度會(huì)相應(yīng)增加，發(fā)生數(shù)個(gè)分支，還容易出現(xiàn)裂斷，此種態(tài)勢(shì)會(huì)因含石量不斷增加而愈加明顯，最終致使滑移帶形成不規(guī)則形狀，即失穩(wěn)路徑愈加不明顯。盡管在含石量很少時(shí)，均質(zhì)土質(zhì)和復(fù)合體這兩種邊坡的差距不太明顯，但都不能呈規(guī)則形狀，而且表面凹凸更為顯著，其原因是塊石使均質(zhì)邊坡力學(xué)特性發(fā)生了變化，而且滑移帶繞過(guò)了大抗剪強(qiáng)度的塊石。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，切剪應(yīng)變力不再聚集于邊坡上部，而是轉(zhuǎn)移到了邊坡中部及下部。

邊坡滑移帶形狀因含石量的不斷加大而愈發(fā)不規(guī)則，而且局部切剪應(yīng)變較大區(qū)域聚集了不斷增大的應(yīng)變力，致使邊坡整體不再呈條帶狀，邊坡的中下部不僅是應(yīng)力集中區(qū)，還是易失穩(wěn)損壞區(qū)。在失穩(wěn)的過(guò)程中，由于抗剪強(qiáng)度參數(shù)持續(xù)減低，就容易在強(qiáng)度小的土體區(qū)域發(fā)生屈服，而邊坡中塊石仍處在彈塑性狀態(tài)，因此滑移帶通常繞過(guò)邊坡中的塊石，形成特有的“繞石”現(xiàn)象，恰恰這是導(dǎo)致滑移帶不規(guī)則且呈“聚團(tuán)”狀的真正原因。與室內(nèi)三軸實(shí)驗(yàn)等不同，因?yàn)檫吰挛葱纬奢^大的剪應(yīng)力，因此在失穩(wěn)損壞期間，塊石很難破碎，“繞石”現(xiàn)象也就愈發(fā)突出?；茙螤畈灰?guī)則的另一原因是塊石聚團(tuán)，由于塊石的影響，滑移帶呈裂斷狀，而無(wú)法形成真正意義上的連通區(qū)域，此種表現(xiàn)在含石量為50%時(shí)更為嚴(yán)重，滑移帶不僅無(wú)序還不規(guī)則，不僅呈明顯“聚團(tuán)”狀，也存在多分支構(gòu)造發(fā)生，甚至局部切剪帶延伸到坡面呈一定角度與坡面相交。

3.2 邊坡失穩(wěn)機(jī)制的數(shù)理分析

通過(guò)圖4可對(duì)含石量為0～50%的邊坡彈塑區(qū)的演變情況有更直觀的認(rèn)知與了解。承拉屈服區(qū)域在含石量為0時(shí)主要分布在坡頂中部，受剪屈服區(qū)域則從坡頂一直貫通到底部，由此構(gòu)成一條完整、規(guī)則且呈流暢弧線形的彈塑區(qū)貫通帶。在含石量不斷加增的情況下，承拉屈服區(qū)域主要出現(xiàn)在邊坡頂部，但分布不均勻，關(guān)鍵是此種現(xiàn)象會(huì)因含石量越大而愈加嚴(yán)重。但受剪屈服區(qū)域卻演變成為不規(guī)則形狀，并與承拉屈服區(qū)域盤根交叉。

在含石量控制在10%～20%的情況下，受剪屈服區(qū)域演變與滑移帶比較相近，但由于塊石的存在，受剪屈服區(qū)域呈不規(guī)則條帶狀。受剪屈服區(qū)域與承拉屈服區(qū)域互相交錯(cuò)形成彈塑區(qū)貫通帶，頂部出現(xiàn)較為明顯的承拉損壞，而中部及底部則表現(xiàn)為受剪損壞，特別是滑移帶上部巖土體失穩(wěn)最嚴(yán)重，但滑體整體性能表現(xiàn)為良好。

在含石量達(dá)到30%～50%的情況下，邊坡內(nèi)部受剪屈服區(qū)域會(huì)發(fā)生明顯移位，整體演變趨勢(shì)為：邊坡內(nèi)部→坡面附近→坡體內(nèi)部，受剪屈服區(qū)域呈不規(guī)則形狀，并與承拉屈服區(qū)域盤根交錯(cuò)。承拉屈服區(qū)域主要分布在邊坡頂部，距離坡面非常近，通過(guò)交錯(cuò)受剪屈服區(qū)域構(gòu)成彈塑性貫通帶。因?yàn)槭芗羟^(qū)域分布在中下坡的表面，并與承拉屈服區(qū)域盤根交錯(cuò)，一旦下部坡體失穩(wěn)必然會(huì)引發(fā)垮塌式散體狀損壞，其原因是塊石及土體力學(xué)特性差異過(guò)大。具體來(lái)講，在含石量持續(xù)增大的情況下，當(dāng)邊坡發(fā)生損壞時(shí)，塊石及土體觸接面容易受剪或者承拉屈服，也就容易形成散體狀損壞。再加上在邊坡頂部形成了拉應(yīng)力帶，在下部穩(wěn)定性能喪失后，頂部巖土體就會(huì)迅速形成拉裂帶，部分土石復(fù)合體緩慢墜落，從而構(gòu)成下部垮塌-上部拉裂滑坡。此種表現(xiàn)在含石量為50%時(shí)尤為嚴(yán)重。另外，受剪屈服區(qū)域與承拉屈服區(qū)域互相交錯(cuò)，會(huì)加大屈服巖土體深度，也就不能形成獨(dú)立的屈服帶，則會(huì)演變成為塊狀彈塑性屈服區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究以數(shù)理模擬計(jì)算的方式，對(duì)含石量差異下的土石復(fù)合體邊坡穩(wěn)定性及失穩(wěn)機(jī)制問(wèn)題開展專題分析探究。主要收獲為：（1）介紹了將土石復(fù)合體視為一種二元物材料的土石復(fù)合體邊坡模擬方法;（2）基于二元物材料設(shè)定建立了土石復(fù)合體邊坡數(shù)理模型;（3）基于含石量差異，對(duì)土石復(fù)合體邊坡穩(wěn)定性和失穩(wěn)機(jī)制開展了數(shù)值計(jì)算和機(jī)制分析，邊坡穩(wěn)定性和失穩(wěn)路徑分析揭示：塊石的含石量與土質(zhì)邊坡的力學(xué)機(jī)能變化存在直接聯(lián)系，低強(qiáng)度土體容易形成彈塑區(qū)，高含石量則會(huì)加大彈塑區(qū)貫通難度，塊石過(guò)度集中于坡體上部，會(huì)加大下滑力，增大彈塑區(qū)貫通發(fā)生概率，威脅邊坡穩(wěn)定性;（4）邊坡失穩(wěn)機(jī)制的數(shù)理分析揭示，含石量控制在10%～20%的情況下，受剪屈服區(qū)域演變與滑移帶比較相近，在含石量達(dá)到30%～50%的情況下，邊坡內(nèi)部受剪屈服區(qū)域會(huì)發(fā)生明顯移位，趨勢(shì)為：邊坡內(nèi)部→坡面附近→坡體內(nèi)部，受剪屈服區(qū)域呈不規(guī)則形狀，并與承拉屈服區(qū)域盤根交錯(cuò)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張 群.基于細(xì)觀機(jī)制的土石混合體邊坡穩(wěn)定性研究[D].武漢：長(zhǎng)江科學(xué)院，2012.

[2]張東亮.地震作用下土石混合體邊坡穩(wěn)定性研究[D].成都：西華大學(xué)，2010.

[3]葛華康.高含石量土石混合體高填方邊坡穩(wěn)定性與變形研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2016.

[4]徐鼎平.基于三維數(shù)值模擬的邊坡穩(wěn)定性分析的整合方法研究[D].馬鞍山：馬鞍山礦山研究院，2007.

[5]黃獻(xiàn)文.動(dòng)荷載作用下土石混合體變形特性及邊坡響應(yīng)規(guī)律研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2019.

作者簡(jiǎn)介：蒙培峰（1988—），工程師，從事公路橋梁勘察設(shè)計(jì)工作。