匡俊，陳芋如，朱仁民，曹建林，居俊，唐強(qiáng)*

（1.江蘇蘇州地質(zhì)工程勘察院，江蘇蘇州215011；2.江蘇地質(zhì)礦產(chǎn)局第四地質(zhì)大隊(duì)，江蘇蘇州215004；3.蘇州大學(xué)，江蘇蘇州215131；4.常熟理工學(xué)院，江蘇蘇州215500）

0 引言

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的演化規(guī)律及控制取得了一系列重要成果和突破。低成本高效率的仿真技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用對(duì)于預(yù)防和控制此類災(zāi)害有顯著效果[1-4]。呂文斌等[5]以西寧市張家灣某滑坡為研究對(duì)象，結(jié)合極限平衡法以及Midas/GTS有限元分析方法，研究了滑坡形成機(jī)理和發(fā)展過(guò)程，定量評(píng)價(jià)了該滑坡3種不同工況條件下的穩(wěn)定狀態(tài)。李效萌等[6]采用折線滑動(dòng)法計(jì)算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)等方法，對(duì)滑坡在2種工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了定量探討，在此基礎(chǔ)上分析了滑坡成因和可能的失穩(wěn)破壞模式。劉洪波等[7]基于有限差分方法建立滑坡三維模型，分析了邊坡剖面、剪切帶處土顆粒位移場(chǎng)分布后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)土體完全失穩(wěn)時(shí)剪切帶完全貫通，滑移體內(nèi)土體向下加速滑動(dòng)?？苷鐫萚8]對(duì)秦嶺某滑坡研究分析后表明：飽和工況下坡體將失穩(wěn)，坡體失穩(wěn)時(shí)基巖面附近滑動(dòng)面最先發(fā)生剪切破壞。

離散元技術(shù)因其能夠有效模擬滑坡機(jī)理而引起眾多學(xué)者的關(guān)注。王燾[9]針對(duì)滑坡堵江預(yù)判問(wèn)題，分析了滑坡體方量與堵江程度相關(guān)關(guān)系。一些學(xué)者[10-17]對(duì)滑坡破壞方式及發(fā)展過(guò)程進(jìn)行模擬研究，結(jié)果與實(shí)際情況基本吻合。

本文應(yīng)用離散元技術(shù)模擬鳳凰山棄土場(chǎng)邊坡破壞過(guò)程，對(duì)關(guān)鍵部位的位移、應(yīng)力進(jìn)行分析，研究其變形破壞機(jī)理。

1 工程概況

蘇州市科技城鳳凰山棄土場(chǎng)位于高新區(qū)元方路和逢春路交叉口西側(cè)，原鳳凰山采石宕口。場(chǎng)區(qū)所在地的原始地貌屬蘇州西部低山丘陵，山體高度在10～130 m，自然坡度在18°～25°。經(jīng)采石開挖后宕口邊坡發(fā)生較大變化，邊坡多在14°～58°之間，局部呈小范圍直立狀，宕口地形西高東低，宕口填土邊坡分為南北兩部分。南側(cè)邊坡坡度較北坡緩，局部較陡，在其坡腳有水滲出，形成溪流，該坡局部存在明顯的雨水沖刷坍塌現(xiàn)象。北側(cè)填土邊坡整體為一坡到底，局部見(jiàn)明顯的蠕滑破裂縫隙，寬度在5～20 mm左右。南、北邊坡面未見(jiàn)巖石裸露，無(wú)滾石、崩塌等不良地質(zhì)作用?？碧狡陂g測(cè)得場(chǎng)地各勘探孔孔口高程在14.20～44.95 m之間，地勢(shì)起伏大。圖1為邊坡的地質(zhì)剖面圖。

圖1 邊坡地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological profile of the slope

由圖1可知，邊坡土層間有成分為粉質(zhì)黏土的軟弱夾層，粉質(zhì)黏土構(gòu)成邊坡失穩(wěn)變形的潛在滑動(dòng)面。邊坡前緣開挖卸荷引起坡面臨空，應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，形成的不穩(wěn)定塊體極有可能發(fā)生滑移破壞。當(dāng)變形達(dá)到一定程度時(shí)，坡面將產(chǎn)生裂縫，發(fā)生失穩(wěn)破壞。由于松散體為均質(zhì)體，各個(gè)顆粒在各方向的抵抗能力相同，滑動(dòng)沿著力矩相同的軌跡滑出，形成圓弧形滑動(dòng)面。

圖2為鳳凰山現(xiàn)場(chǎng)勘探結(jié)果。由于碎石上部覆蓋大量植被及土壤，土體的黏聚力顯著增大，這延緩了邊坡失穩(wěn)破壞需要的時(shí)間，破壞形式表現(xiàn)為漸進(jìn)式的蠕動(dòng)變形。邊坡上出現(xiàn)的多處裂縫表明，該處邊坡正處于滑移過(guò)程之中。一旦受到雨水沖刷等外界作用，邊坡將迅速發(fā)生破壞，有可能造成安全隱患。為近一步研究邊坡的穩(wěn)定性，本文利用離散元軟件對(duì)邊坡的破壞過(guò)程展開數(shù)值分析。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)踏勘資料Fig.2 Site investigation data

2 邊坡破壞過(guò)程數(shù)值模擬

2.1 模型建立

采用離散元技術(shù)模擬邊坡滑動(dòng)，在建模過(guò)程中，ball-ball接觸與ball-facet接觸會(huì)貫穿始終，線性模型具有較好的模擬效果。根據(jù)杜永斌[18]的研究，線性模型接觸力通過(guò)成對(duì)出現(xiàn)并相接觸顆粒之間恒定法向和切向剛度的線性彈簧產(chǎn)生，假設(shè)法向剛度與切向剛度之比為1，兩種剛度的計(jì)算公式如下：

式中：Kn為兩個(gè)接觸顆粒間的法向接觸剛度；Ks為切向接觸剛度；A為顆粒間的接觸面積；E為楊氏模量；L為兩個(gè)顆粒的半徑之和。由于本文中的地下水處于滑移面下方，根據(jù)何倩等[16]和宋浩燃等[17]的研究，此時(shí)地下水對(duì)于邊坡滑移影響較小，因此在本次模擬中忽略其影響。本次模擬主要接觸參數(shù)具體取值如表1所示。

表1 碎石土的細(xì)觀參數(shù)Table 1 Mesoscopic parameters of gravelly soil

模擬具體步驟為：成樣，預(yù)壓，加自重以及切坡。首先采用預(yù)壓來(lái)釋放試樣中過(guò)大的內(nèi)應(yīng)力，隨后放大重力場(chǎng)。在程序中經(jīng)過(guò)多次重力加速度的調(diào)整，最終在80倍的重力加速度下，顆粒能夠向下自然滑落。在加自重前進(jìn)行了土體平衡，并定義了邊坡底部坐標(biāo)。

顆粒流模型計(jì)算的下部邊界是有限的。顆粒流模型高度應(yīng)大于地基的塑性區(qū)開展深度，即H＜Zmax，塑形區(qū)的最大開展深度為：

式中：p為地基的條形均布荷載；γ為土體容重；h為邊坡高度；H為模型高度；c為土體的黏聚力；φ為土體的內(nèi)摩擦角。

為確保滑動(dòng)剪切面出現(xiàn)在邊坡內(nèi)，邊坡模型最終滿足H≥1.5h的條件。根據(jù)式（3），建立模型長(zhǎng)40 m，高20 m，顆粒最小半徑為0.05 m，最大半徑為0.1 m，顆?？倲?shù)為64 892個(gè)。最終得到滑坡數(shù)值計(jì)算模型。圖3為滑坡數(shù)值計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖3 滑坡數(shù)值計(jì)算模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig.3 Numerical landslide model and monitoring points

2.2 臨界坡腳確定

鳳凰山棄土場(chǎng)的邊坡多在14°～58°之間，經(jīng)過(guò)程序多次模擬，當(dāng)坡角為30°時(shí)，邊坡未發(fā)生滑動(dòng)位移。當(dāng)坡角為35°時(shí)，邊坡有大部分顆?；?。而在選擇32°坡角時(shí)，邊坡只有少量顆粒發(fā)生了較大位移，邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài)，即該邊坡發(fā)生滑動(dòng)的臨界坡角為32°。圖4為臨界坡角的計(jì)算云圖。

圖4 臨界坡角的計(jì)算云圖Fig.4 Calculation clouds for critical slope angles

2.3 坡度最大處失穩(wěn)過(guò)程分析

2.3.1 位移矢量分析

經(jīng)實(shí)地踏勘，現(xiàn)場(chǎng)坡角最大值為58°。由于蠕動(dòng)變形，邊坡坡頂已出現(xiàn)明顯的裂縫。通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)該處邊坡的失穩(wěn)過(guò)程進(jìn)行分析。

位移是邊坡發(fā)生破壞的直觀表現(xiàn)，由圖5可知，該邊坡的失穩(wěn)模式是蠕動(dòng)性滑坡。計(jì)算初始，邊坡開始變形，靠近坡面的顆粒逐漸滑落，巖體蠕動(dòng)變形。隨著時(shí)間的推移，顆?；瑒?dòng)位置往坡內(nèi)移動(dòng)；當(dāng)計(jì)算到10 s時(shí)，剪切帶基本貫通，形成穩(wěn)定斜坡，滑動(dòng)面呈圓弧狀，坡趾圓也基本形成；當(dāng)t=30 s時(shí)最終平衡，顆粒的最大位移達(dá)10.4 m。

圖5 邊坡破壞過(guò)程模擬Fig.5 Simulation of the slope failure process

2.3.2 應(yīng)力變化分析

在斜面上設(shè)置3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以觀察對(duì)比斜坡頂部、中部以及底部的應(yīng)力變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的具體位置以及名稱序號(hào)如圖3所示。監(jiān)測(cè)曲線圖如圖6所示，分別監(jiān)測(cè)斜坡x方向正應(yīng)力（σx），剪應(yīng)力（τxy），以及y方向的正應(yīng)力（σy）。

圖6 應(yīng)力變化曲線Fig.6 Curves of stress changes

由圖6可知，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處的顆粒在模擬過(guò)程中位于坡體的頂部，并不斷發(fā)生向下的位移，因此此時(shí)的應(yīng)力曲線呈總體減小趨勢(shì)。

相反，監(jiān)測(cè)點(diǎn)2處的x，y方向正應(yīng)力以及剪應(yīng)力均呈上升趨勢(shì)，且y方向的正應(yīng)力與x方向正應(yīng)力相比較大。這是因?yàn)樾逼轮胁侩S著變形量的增加，不斷受到碎石土向下的擠壓，顆粒不斷堆積，導(dǎo)致y向應(yīng)力逐漸增加，峰值應(yīng)力為115.24 kPa。

坡腳處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)在滑動(dòng)初始階段應(yīng)力驟降，隨后趨于平緩，這是因?yàn)槠履_處在一開始的滑動(dòng)過(guò)程中，顆粒間不斷調(diào)整位置，發(fā)生剪切破壞。隨著上覆土體的不斷滑下，監(jiān)測(cè)點(diǎn)1處土體被上覆土體覆蓋，坡體滑動(dòng)對(duì)其影響減小，坡腳處達(dá)到應(yīng)力平衡。剪應(yīng)力在整個(gè)滑動(dòng)過(guò)程中變化幅度不明顯，坡腳的剪應(yīng)力最大值為70.84 kPa。

2.3.3 結(jié)果討論

根據(jù)瑞典條分法，邊坡的安全系數(shù)可以由公式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：NWi為孔隙水壓力；TDi為滲透壓力產(chǎn)生的平行滑動(dòng)面分力；RDi為滲透壓力產(chǎn)生的垂直滑動(dòng)面分力；Wi為土體自重；Ci為土體內(nèi)聚力；φi為土體內(nèi)摩擦角；Li為滑動(dòng)面長(zhǎng)度；αi為滑動(dòng)面傾角；A為地震加速度；Kf為穩(wěn)定系數(shù)。

根據(jù)石崇[19]的研究，植被根系及黏土含量的增加會(huì)增大邊坡填土的黏聚力。公式（4）表明，黏聚力的增大會(huì)顯著提高土體的抗滑力，提升邊坡的穩(wěn)定性。在黏聚力的作用下，該邊坡緩慢發(fā)生蠕動(dòng)變形。一旦受到雨水沖刷等外界作用，土體的黏聚力將迅速減小，邊坡容易發(fā)生失穩(wěn)破壞。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)離散元技術(shù)對(duì)蘇州市科技城鳳凰山棄土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了模擬，得到以下結(jié)論。

1）邊坡達(dá)到32°的坡角時(shí)，達(dá)到極限平衡狀態(tài)。從現(xiàn)場(chǎng)勘探情況看，最大坡角處邊坡已經(jīng)出現(xiàn)明顯的裂縫，可以通過(guò)削方減載、擋土墻法、抗滑樁法、格構(gòu)錨桿法等來(lái)實(shí)施滑坡整治措施。

2）模擬現(xiàn)場(chǎng)最大坡角58°處的邊坡過(guò)程中，隨著時(shí)間的推移，顆?；瑒?dòng)的位置向斜坡內(nèi)部移動(dòng)，滑動(dòng)剪切帶基本形成并貫通以后，顆粒發(fā)生塑形流動(dòng)，形成穩(wěn)定的圓弧形滑坡面。

3）坡體中部顆粒的正應(yīng)力由于不斷受到上覆顆粒的擠壓呈非線性增長(zhǎng)，坡腳位置處的應(yīng)力呈總體下降趨勢(shì)，隨著時(shí)間的推移最終達(dá)到平衡。