筑堆邊坡失穩(wěn)是指在一定范圍內(nèi)，邊坡沿坡內(nèi)較為軟弱的部位發(fā)生移動(dòng)，從而破壞筑堆整體穩(wěn)定性的現(xiàn)象。邊坡失穩(wěn)會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至帶來(lái)嚴(yán)重的人身安全事故，還有可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。氰化物具有很強(qiáng)的毒性，可以通過(guò)多種途徑進(jìn)入人體，使中樞神經(jīng)系統(tǒng)癱瘓引發(fā)呼吸困難，甚至導(dǎo)致死亡[1]。因此，研究含氰土壤邊坡穩(wěn)定性，保證筑堆安全，具有重大意義。

目前，用于模擬邊坡穩(wěn)定性的技術(shù)有很多，但都存在一些缺陷，如有限元有變小的假設(shè)、需要較大內(nèi)存等[2]，F(xiàn)LAC3D模擬軟件模擬方法彌補(bǔ)了以上缺點(diǎn)，使得其廣泛應(yīng)用于巖土工程、降雨模擬等領(lǐng)域[3]。史緒鑫[4]采用FLAC3D軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)以及滲流方面的問(wèn)題進(jìn)行了模擬研究；王玉玨[5]利用FLAC3D數(shù)值模擬方法分析堆浸場(chǎng)邊坡在排土為68～84 m高度下邊坡穩(wěn)定的安全系數(shù)、塑性區(qū)、最大位移，最大不平衡力和潛在滑移面的位置，結(jié)果證實(shí)堆浸場(chǎng)整體上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

本文以20 000 m3含氰土壤修復(fù)工程為基礎(chǔ)，采用FLAC3D數(shù)值模擬方法，建立堆場(chǎng)模型，根據(jù)堆場(chǎng)的土力學(xué)參數(shù)模擬堆場(chǎng)的邊坡安全系數(shù)、塑性區(qū)、潛在滑移面、最大位移和最大不平衡力，分析堆場(chǎng)整體的穩(wěn)定性，為含氰土壤的修復(fù)工程提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 含氰土壤

天津某含氰土壤的修復(fù)工程，采用筑堆淋洗修復(fù)方法。土壤堆場(chǎng)分為兩部分，上部為散體物料，下部為基底，形狀為梯形，堆場(chǎng)長(zhǎng)153 m×寬60 m，下底120 m×60 m，上底110 m×45.2 m，上底長(zhǎng)45.2 m，筑堆總量為20 784 m3，堆場(chǎng)總高度為5.8 m，散體自然安息角為35°，為保證淋洗過(guò)程中堆體的淋洗液可以快速滲濾通過(guò)，將堆場(chǎng)基底整體抬高0.6 m，中間最高點(diǎn)高度達(dá)到4.8 m，場(chǎng)地坡度為8°。

土壤模擬參數(shù)采用實(shí)測(cè)和文獻(xiàn)檢索相結(jié)合的辦法，其中干密度、濕密度、楊氏模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角、滲透系數(shù)、水的體積模量和孔隙率采用實(shí)測(cè)方法[6]，泊松比采用文獻(xiàn)檢索方法[7～10]。見(jiàn)表1。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

采用FLAC3數(shù)值模擬軟件對(duì)含氰土壤的筑堆邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬分析，見(jiàn)圖1。模型的邊界條件：固定模型側(cè)邊方向速度，底面限制垂直方向位移，上部為自由面并對(duì)模型中所有節(jié)點(diǎn)的Y方向速度進(jìn)行約束，以便等效地進(jìn)行平面應(yīng)變分析。

圖1 FLAC3D 5.0建模

不考慮堆場(chǎng)前后Y方向的位移，建立了筑堆邊坡穩(wěn)定性分析幾何模型。模型為左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)選取堆場(chǎng)邊坡左側(cè)的剖面，在坡面選取了3個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，見(jiàn)圖2。

圖2 土堆邊坡幾何模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

2 結(jié)果與討論

2.1 堆場(chǎng)位移

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬軟件計(jì)算3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移，見(jiàn)圖3-圖6。

圖3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平方向位移曲線(xiàn)

從圖3可以看出：在水平方向上①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最穩(wěn)定，位移為0；②和③號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移隨計(jì)算步數(shù)的增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，②號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移為2.8 cm，③號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移為1.4 cm；變化最大的是②號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但其位移很小，可認(rèn)為在水平方向是穩(wěn)定的。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)豎直方向位移曲線(xiàn)

從圖4可以看出：在豎直方向上①號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最穩(wěn)定，位移為0；②和③號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都隨計(jì)算步數(shù)的增長(zhǎng)趨于穩(wěn)定，②號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移為3.3 cm，③號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最大位移為7.0 cm；變化最大的是③號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，但相對(duì)土壤堆場(chǎng)整體而言，位移較小，可認(rèn)為在豎直方向是穩(wěn)定的。

圖5 邊坡水平方向位移等值線(xiàn)

從圖5中可以看出：位移最大部位集中在堆場(chǎng)土體的堆積體內(nèi)，在3 cm左右。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因主要是：堆場(chǎng)較高，土體物料的楊氏模量較低。

圖6 邊坡豎直方向位移等值線(xiàn)

從圖6可以看出：位移最大部位集中在堆場(chǎng)土體的上方，在10 cm左右。主要原因是堆場(chǎng)受自身重力影響而出現(xiàn)固結(jié)沉降的現(xiàn)象。

2.2 堆場(chǎng)最大不平衡力

最大不平衡力是數(shù)值計(jì)算迭代過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)內(nèi)外力之差[11]，在靜態(tài)求解模式中用于判斷堆場(chǎng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，如果模型網(wǎng)格的每個(gè)節(jié)點(diǎn)力都為0，那么模型達(dá)到絕對(duì)的平衡狀態(tài)[5]。應(yīng)用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析，獲得含氰土壤堆場(chǎng)的最大不平衡力曲線(xiàn)，見(jiàn)圖7。

圖7 最大不平衡力曲線(xiàn)

從圖7中可以看出：隨著計(jì)算步數(shù)不斷增加，污染土壤的最大不平衡力逐漸減小，當(dāng)計(jì)算步數(shù)到2004時(shí)，最大不平衡力趨于0，說(shuō)明體系實(shí)現(xiàn)了力的平衡狀態(tài)[12]，不再發(fā)生滑坡。

2.3 堆場(chǎng)塑性區(qū)

邊坡失穩(wěn)破壞一般發(fā)生在強(qiáng)度軟弱帶或應(yīng)力集中區(qū)，這部分區(qū)域土體單元會(huì)發(fā)生不同程度的塑性形變，假如發(fā)生塑性形變的區(qū)域互相貫通[13]，就說(shuō)明邊坡會(huì)在互相貫通的區(qū)域內(nèi)發(fā)生失穩(wěn)及破壞。故可以基于塑性區(qū)互相貫通判斷邊坡是否會(huì)發(fā)生失穩(wěn)及破壞[14～15]。含氰土壤堆場(chǎng)的塑性區(qū)見(jiàn)圖8。

圖8 塑性區(qū)

由圖8可以看出：堆場(chǎng)模型只是曾經(jīng)進(jìn)入過(guò)拉伸屈服狀態(tài)，但已經(jīng)退出，并沒(méi)有產(chǎn)生互相貫通的塑性區(qū)，故邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 堆場(chǎng)潛在滑移面與安全系數(shù)

堆場(chǎng)潛在滑移面見(jiàn)圖9。

圖9 潛在滑移面

從圖9可以看出，在剪切應(yīng)變?cè)隽窟^(guò)程出現(xiàn)了坡體的最軟弱部位，也就是最易沿此面損壞失穩(wěn)的部位，即圖9中位于堆場(chǎng)左側(cè)坡頂?shù)募t色區(qū)域，范圍很小。用強(qiáng)度折減法獲得邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為3.85，根據(jù)規(guī)范要求[16]，安全系數(shù)≥1.25為穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合以上結(jié)果分析，表明邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3 結(jié)論

應(yīng)用FLAC3D數(shù)值模擬方法建立了堆場(chǎng)模型并分析了堆場(chǎng)在5.2 m高下的邊坡安全系數(shù)、塑性區(qū)、潛在滑移面、最大位移和最大不平衡力，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在堆載高度5.2 m下，堆場(chǎng)塑性區(qū)和潛在滑移面沒(méi)有貫通、計(jì)算收斂、無(wú)位移突變且FLAC3D數(shù)值模擬方法計(jì)算所得的安全系數(shù)值為3.85，堆場(chǎng)整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生滑坡，表明在此筑堆條件下，可開(kāi)展污染土壤的淋洗修復(fù)工程。