汪儒鴻，周海清，彭國園

(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)

我國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家，據(jù)我國地質(zhì)災(zāi)害特點(diǎn)與規(guī)律的統(tǒng)計(jì)，我國的滑坡與泥石流災(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)前沒有明顯的變形跡象，因此坡下的村民沒有引起警覺。滑坡啟動后下滑快速，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，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)害防治體系中對邊坡的突變失穩(wěn)破壞尚無明確定義，更沒有統(tǒng)一的失穩(wěn)評判標(biāo)準(zhǔn)。與之相近的災(zāi)害諸如紅色問題土中的崩崗[1]、滑坡現(xiàn)象以及黃土邊坡中常見的滑塌[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]通過對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)定性就會急劇下降；劉邦安[4]通過對人工制備結(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)防帶來了較大困難。然而，以上研究均沒能完整定義出堆積體邊坡的突變失穩(wěn)特性，更無法對其特殊破壞現(xiàn)象加以量化分析。為提高對這類邊坡災(zāi)害的認(rèn)識，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)合邊坡破壞過程中土顆粒黏結(jié)強(qiáng)度的變化以及對坡體孔隙率的監(jiān)測，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各類土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性的研究指出：土性對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)合以上研究來看，選用接觸黏接模型[10]作為數(shù)值模擬過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)置一組對照組模型。對照組模型在實(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，目的在于模擬無粘性砂土邊坡的滑坡失穩(wěn)現(xiàn)象[10]。

1.1 算例說明

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應(yīng)關(guān)系，應(yīng)用最多的是通過雙軸壓縮試驗(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]。該過程相對復(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)行對比，不需要對邊坡穩(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挖對邊坡造成的影響，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 邊坡破壞特征對比

圖2所示為兩組邊坡失穩(wěn)初期對比圖，圖2(a)為實(shí)驗(yàn)組邊坡，圖2(b)為對照組邊坡。可以發(fā)現(xiàn)：對照組邊坡在失穩(wěn)初期位移變形較大，坡腳及坡頂都有明顯的土體滑動；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)中期對比圖，圖3(a)為實(shí)驗(yàn)組邊坡，圖3(b)為對照組邊坡。實(shí)驗(yàn)組邊坡在破壞過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。邊坡破壞過程更加類似于逐級傾覆式的巖坡崩塌，有明顯的脆性破壞特征，基本觀察不到單一完整的滑面，說明邊坡破壞并不是以滑動為主。相比之下，對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)坡體基本無較大裂隙產(chǎn)生，邊坡土體呈現(xiàn)出更加明顯的塑性流動特征。

1.3 特征點(diǎn)粒子位移對比

邊坡失穩(wěn)過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，并生成坐標(biāo)-時(shí)步圖以觀察邊坡的位移變形規(guī)律。需要說明的是：數(shù)值模擬的計(jì)算時(shí)步并不對應(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)下降的斜率來看，其失穩(wěn)后的變形速度比對照組邊坡更快；對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，說明邊坡失穩(wěn)并沒有導(dǎo)致坡腳粒子發(fā)生無限位移，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；相比之下，對照組邊坡的坡腳粒子具有明顯無限位移的特點(diǎn)，說明整個(gè)坡體呈現(xiàn)塑性流動狀態(tài)，后面的粒子推動前面的粒子不斷向前運(yùn)動。

1.4 結(jié)果分析

結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來看，對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，對監(jiān)測預(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PFC2D的可視化技術(shù)，在數(shù)值模擬過程中可實(shí)現(xiàn)對邊坡粒子速度、方向、位置等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。結(jié)合之前對邊坡失穩(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)就會迅速崩塌解體，造成巨大破壞。因此需要對其破壞規(guī)律展開監(jiān)測量化分析，找出合理的預(yù)防手段。

從外在因素來看，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞的原因通常包括人工開挖、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)生的張拉裂隙相對較少。因此，對觀察到邊坡裂隙發(fā)育最多的區(qū)域進(jìn)行孔隙率的實(shí)時(shí)檢測，監(jiān)測結(jié)果如圖6、圖7。

從監(jiān)測結(jié)果來看：實(shí)驗(yàn)組邊坡監(jiān)測區(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)部會產(chǎn)生大量原生或次生裂隙。相比之下，對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)測區(qū)的孔隙率在初期一直穩(wěn)定變化，沒有大的突變，坡體也沒有大的裂隙形成。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。對部分土質(zhì)邊坡而言，邊坡失穩(wěn)之后并不會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)。因此對有可能出現(xiàn)突變失穩(wěn)破壞的堆積體邊坡，對坡體裂隙的實(shí)時(shí)監(jiān)測以提前預(yù)警是有效的防范辦法。在工程實(shí)踐中，對隱患邊坡應(yīng)該采取大范圍的地表裂隙篩查，對重點(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)破壞前會積累產(chǎn)生大量的原生或次生裂隙，因此，對具有突變失穩(wěn)隱患的堆積體邊坡，在外界擾動影響較大的情況下，可通過地質(zhì)探傷儀等儀器對邊坡裂隙進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，提前預(yù)警以起到防范的作用。

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