陳敬財 張前奇 唐小山 黎華宇 陳帥

摘要：自然界中存在一種啟動突然、下滑迅速且解體嚴(yán)重的邊坡，對當(dāng)?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)造成了重大損失。這類邊坡在產(chǎn)生滑動之前未發(fā)生明顯的變形跡象，這就給預(yù)警工作帶來諸多難度。根據(jù)現(xiàn)有統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)云南地區(qū)發(fā)生此類滑坡較多，而云南地區(qū)分布較廣的花崗巖殘積土是一種較為典型的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)的土體，這些現(xiàn)象之間似乎存在某種必然聯(lián)系，即此類滑坡與土體的高結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度有關(guān)。但目前對這類邊坡還缺乏系統(tǒng)深入的研究。本文旨在利用PFC2D軟件模擬不同結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度邊坡在自然失穩(wěn)條件下的解體程度和位移特征。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度越高的邊坡整體位移越小，說明結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度越高前期蠕變階段越小，邊坡失穩(wěn)是突發(fā)性的。另外結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度高的邊坡相較于結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度低的邊坡滑動面也更小，說明土體邊坡結(jié)構(gòu)性是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。

關(guān)鍵詞：PFC2D;離散元法;數(shù)值模擬;結(jié)構(gòu)性土

邊坡穩(wěn)定性一直都是巖土工程研究中的重要課題，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)，因此很有必要加強(qiáng)對邊坡方面的研究。一般的邊坡產(chǎn)生滑坡大多會發(fā)生蠕變變形這一前期階段。因此可以得到提前預(yù)警預(yù)防發(fā)生重大事故。而以上所提到的滑坡并沒有明顯的蠕變變形這一前期階段。邊坡失穩(wěn)之后直接進(jìn)入劇滑階段，根據(jù)以往研究所知發(fā)生這種沒有前期變形積累的突然快速下滑說明邊坡失穩(wěn)后其滑動面強(qiáng)度發(fā)生了快速的下降。根據(jù)這一特點(diǎn)和現(xiàn)有對滑坡的認(rèn)識，一個合理的假設(shè)就是發(fā)生該類滑坡的邊坡體存在較大的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度[3]，林威[5]研究得出土體結(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)定性就會急劇下降的結(jié)論;劉邦安[6]通過實(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。因此將土體結(jié)構(gòu)性作為邊坡穩(wěn)定性的一個影響因素進(jìn)行研究十分必要。這對于以后防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)的發(fā)展有重大意義。

一、數(shù)值分析方法

（一）數(shù)值模型

PFC主要提供兩種建模方法即ball-ball法和ball-wall法，ball-ball 法是滑坡體和基巖均采用顆粒進(jìn)行填充，適用于滑動面未知的情況。ball-wall 法是滑坡體采用顆粒填充而基巖采用墻體進(jìn)行模擬，適用于滑動面已知的情況。由于本文研究的結(jié)構(gòu)性土坡滑動面位置未定，故采用ball-ball法進(jìn)行建模。

（二）參數(shù)選取

PFC2D數(shù)值模擬要能真實(shí)反映實(shí)際邊坡工程的變形特點(diǎn)必須要對其參數(shù)的選取達(dá)到很接近工程實(shí)際的程度，微觀參數(shù)的選取通常是在PFC2D中進(jìn)行反復(fù)的虛擬雙軸壓縮試驗(yàn)[4]得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線與室內(nèi)壓縮試驗(yàn)曲線進(jìn)行匹配，最終得出滑坡體的微觀力學(xué)參數(shù)。通過先前學(xué)者所進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所得到在PFC中宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如下表。

二、模型建立

（一）建模

首先根據(jù)不同的顆粒屬性、接觸特性等分別建立不同的邊坡地層，按坡體結(jié)構(gòu)性的高、中、低順序排列。然后對邊坡地層進(jìn)行削坡如下圖所示。根據(jù)上述分別按高、中和低結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度土體進(jìn)行微觀賦值。然后在自重下自然填充保持平衡。然后對地基進(jìn)行削坡70°操作，再對不同組的顆粒與顆粒和顆粒與墻之間設(shè)置接觸參數(shù)，最后用solve設(shè)置平衡條件求解。使得三種邊坡在自重條件下緩慢由平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)化為失穩(wěn)狀態(tài)，并得到最終的邊坡失穩(wěn)位移圖。

（二）結(jié)果及其分析

最終邊坡在失穩(wěn)之后不同強(qiáng)度結(jié)構(gòu)性土坡位移運(yùn)動特征如下圖表示。

如上圖所示可得高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)性邊坡最大位移較小，并且整體上運(yùn)動的顆粒數(shù)較小并且滑動面不大，中強(qiáng)度結(jié)構(gòu)性邊坡最大位移較大整體上運(yùn)動顆粒數(shù)較多，滑動面略大于高強(qiáng)度邊坡。低強(qiáng)度結(jié)構(gòu)性邊坡最大位移接近于高強(qiáng)度邊坡，但是整體上運(yùn)動的顆粒數(shù)量最多，并且滑動面也是三個中最大的一個。從上述模擬結(jié)果可以看出：高結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度邊坡的運(yùn)動范圍較小，說明它在失穩(wěn)之前尚未發(fā)生明顯的蠕變階段而是突然失穩(wěn)，而從中、低結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度邊坡的位移云圖來看邊坡失穩(wěn)前都不同程度的發(fā)生了一定的蠕變。上述結(jié)果表面土體的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度確實(shí)會對邊坡失穩(wěn)的突發(fā)性產(chǎn)生影響。

三、結(jié)論

以離散元數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，對土體結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度對邊坡穩(wěn)定性的影響進(jìn)行了分析。所得結(jié)論如下：

1.從前期位移來看，邊坡結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度越高，則前期位移越小，說明結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度越高其前期蠕變越小，邊坡失穩(wěn)突發(fā)性越高。

2.邊坡土體的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度越高則其失穩(wěn)后的最終位移越小，運(yùn)動的顆粒數(shù)量也較少，說明其失穩(wěn)突發(fā)性高，對其進(jìn)行預(yù)警更加困難。

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[6]劉邦安. 結(jié)構(gòu)性土坡與粘性土坡的動力變形和破壞特性研究[D].清華大學(xué)，2008.

基金項目：重慶科技學(xué)院校級科創(chuàng)項目《堆積層邊坡潰決式下滑的模擬》;項目編號：YKJCX2020661

作者簡介：陳敬財（1996-），男，漢族，重慶人，碩士研究生，主要從事巖土工程研究