黃 麗 華，劉 順 青

(1.河西學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000； 2.江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

土石混合邊坡是指由土夾碎石或卵石等土石混合體組成的邊坡，常發(fā)育在第四系松散堆積層中[1-2]。在中國各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，常會遇到土石混合邊坡，因此，弄清其失穩(wěn)機(jī)理對保證工程安全有著重要的意義。

實(shí)際工程中，土石混合邊坡通常有一元結(jié)構(gòu)和二元結(jié)構(gòu)這2種形態(tài)，如圖1所示。其中土石混合邊坡的二元結(jié)構(gòu)是指坡體由土石混合體、接觸帶及基巖3部分構(gòu)成，其中接觸帶是指上部土石混合體和下部基巖間的過渡帶，這種結(jié)構(gòu)下邊坡的穩(wěn)定性取決于其上部土石混合體的力學(xué)特性及接觸帶的特性[3]。土石混合二元結(jié)構(gòu)邊坡上部土石混合體的滲透特性及下部基巖的滯水特性，常導(dǎo)致接觸帶處的巖土體由于含水較多而軟化，進(jìn)而抗剪強(qiáng)度降低。

圖1 土石混合體邊坡結(jié)構(gòu)形態(tài)

目前為止，土石混合邊坡穩(wěn)定性評價(jià)方法主要有模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬法，其中數(shù)值模擬時(shí)主要采用數(shù)字圖像和隨機(jī)模型兩種方法建模。數(shù)字圖像建模方面，陳曉[2]、劉康琦[4]、徐文杰[5]等建立了土石混合邊坡的細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型，并采用強(qiáng)度折減法研究了邊坡在不同工況下的穩(wěn)定性變化規(guī)律。隨機(jī)模型建模方面，黃獻(xiàn)文等[6-7]提出了一種隨機(jī)構(gòu)建土石混合邊坡模型的方法，并采用有限元及極限分析等方法分析了塊石摻量及長軸傾角等因素對其穩(wěn)定性的影響；張森等[8]運(yùn)用隨機(jī)生成技術(shù)并結(jié)合強(qiáng)度折減法分析了塊石含量對土石混合邊坡穩(wěn)定性的影響；李亮[9]、邵帥[10]等編制程序生成了隨機(jī)塊石模型，并分析了塊石含量和空間分布的穩(wěn)定性及剪切帶的影響。從上述分析可知，目前針對土石混合邊坡穩(wěn)定性的分析都未系統(tǒng)考慮接觸帶處土體軟化(抗剪強(qiáng)度降低)的影響，然而此問題對其穩(wěn)定性有著重要影響。

本文通過自編的隨機(jī)模型生成系統(tǒng)[3，11](見圖2)，生成了含接觸帶的土石混合邊坡概念模型，然后將概念模型導(dǎo)入到Optum G2，采用極限分析法分析了接觸帶軟化對邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖2 隨機(jī)模型生成系統(tǒng)

1 含接觸帶土石混合邊坡的生成

含接觸帶土石混合邊坡的工程特征尺度(Lc)為邊坡高度，相關(guān)文獻(xiàn)中推薦邊坡中的土-石閾值為(0.05～0.75)Lc[12-15]，本文中的土-石閾值范圍取(0.05～0.20)Lc。因邊坡高度取10.0 m，所以文中塊石的最大、最小粒徑分別為2.0 m 及0.5 m。含接觸帶土石混合邊坡中的塊石級配如表1所列。含接觸帶土石混合邊坡模型中，邊坡坡角取45°，基巖傾角取10°，接觸帶的厚度取1.0 m，接觸帶的傾角與基巖的一致。

表1 含接觸帶土石混合邊坡的塊石級配

本文的含石率(VRBP)定義為土石混合邊坡中所有塊石的總截面積與邊坡截面積的比值。各含石率下含軟化接觸帶的土石混合邊坡示意如圖3所示。

圖3 不同含石率下含軟化接觸帶的土石混合邊坡示意

2 土石混合邊坡計(jì)算模型的建立

將不同含石率下的模型導(dǎo)入到極限分析軟件Optum G2中，形成含軟化接觸帶的土石混合邊坡數(shù)值計(jì)算模型，如圖4所示。

圖4 含軟化接觸帶的土石混合邊坡計(jì)算模型(單位：m)

土石混合邊坡中的“塊石”與“土體”需滿足Eblock/Esoil>2以及tanφblock/tanφsoil>2[12，16]，本文土石混合邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)所采用的計(jì)算參數(shù)如表2所列。表2中，因需重點(diǎn)考慮接觸帶土體的軟化，穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)接觸帶土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)取原土體參數(shù)的一半。土石混合邊坡穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)采用極限分析法，計(jì)算分析流程如圖5所示，圖中TOL為收斂精度，取0.001。

表2 含接觸帶土石混合邊坡的計(jì)算參數(shù)

圖5 含接觸帶土石混合邊坡穩(wěn)定性的分析流程

3 含接觸帶土石混合邊坡穩(wěn)定性分析

3.1 土石混合邊坡的安全系數(shù)

含軟化接觸帶土石混合邊坡的穩(wěn)定性分析采用極限分析法。含石率分別考慮0(純土)，10%，20%，30%，40%，50%及60%，每種含石率下考慮10個塊石的隨機(jī)分布位置，共進(jìn)行了61個土石混合邊坡的穩(wěn)定性計(jì)算，邊坡下、上限安全系數(shù)的計(jì)算結(jié)果如圖6及表3所示。

表3 不同含石率下含接觸帶土石混合邊坡下、上限安全系數(shù)的均值、方差及變異系數(shù)

圖6 不同含石率下含接觸帶土石混合邊坡的安全系數(shù)

從結(jié)果中可以看出，含接觸帶土石混合邊坡的下限安全系數(shù)隨著含石率的增加有較小幅度的提高。與均質(zhì)土的下限安全系數(shù)相比，含石率為40%，50%，60%的土石混合邊坡其平均下限安全系數(shù)分別增加0.8%，2.7%，7.1%。這與現(xiàn)有研究成果略有不同[12-13，16]，主要原因是含接觸帶土石混合邊坡的穩(wěn)定性由塊石含量和接觸帶軟化土體共同決定，接觸帶軟化土體的存在削弱了塊石含量對土石混合邊坡穩(wěn)定性的影響。

與均質(zhì)土的上限安全系數(shù)相比，含石率為10%，20%，30%，40%，50%，60%的土石混合邊坡其平均安全系數(shù)分別增加0.8%，2.7%，6.3%，13.9%，21.3%，31.4%。主要原因是隨著含石率的增加，土石混合邊坡滑動面產(chǎn)生了繞石及分叉效應(yīng)，從而導(dǎo)致邊坡安全系數(shù)的增加。

從表3中還可以看出，含接觸帶土石混合邊坡的下、上限安全系數(shù)在相同的含石率下因塊石分布位置不同而導(dǎo)致的差異略有不同。當(dāng)含石率為60%時(shí)，因塊石位置不同而導(dǎo)致土石混合邊坡上限安全系數(shù)之間的最大差值為0.18。當(dāng)含石率在10%～60%變化時(shí)，含接觸帶土石混合邊坡的下、上限安全系數(shù)的變異系數(shù)分別0.4%～1.6%及0.5%～3.4%，這些變異系數(shù)的變化率低于已有的成果[12-13]，主要原因是接觸帶土體的軟化降低了塊石隨機(jī)分布對邊坡安全系數(shù)的影響。

3.2 土石混合邊坡的剪切耗散

本文采用剪切耗散(Shear Dissipation，SD)來表征含接觸帶土石混合邊坡的塑性變形，剪切耗散的計(jì)算公式如下：

(1)

σs=σ-mp

(2)

(3)

含軟化接觸帶土石混合邊坡在各含石率下的下限剪切耗散如圖7所示。從圖7中可見：含接觸帶的土石混合邊坡滑動面隨著含石率的增加，不再是圓弧形，而是呈現(xiàn)具有繞石效應(yīng)的彎曲型滑面，并且所有的滑動面都穿過土石混合邊坡的軟化接觸帶。彎曲型滑面可沿著塊石的兩側(cè)擴(kuò)展，也可繞過塊石骨架，貫通于塊石之間的土體。

圖7 不同含石率下含軟化接觸帶土石混合邊坡的下限剪切耗散

4 接觸帶土體軟化對土石混合邊坡穩(wěn)定性的影響

為進(jìn)一步分析接觸帶土體軟化對土石混合邊坡穩(wěn)定性的影響，將計(jì)算結(jié)果與不考慮接觸帶土體軟化的結(jié)果進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖8所示。 從圖中可看出：接觸帶的土體軟化降低了土石混合邊坡的下、上限安全系數(shù)，并且含石率越高，降低程度越大。與均質(zhì)土坡相比，不考慮接觸帶土體軟化的土石混合邊坡的下限安全系數(shù)分別增加3.8%(VRBP=40%)，6.5%(VRBP=50%)，10.9%(VRBP=60%)，而其上限安全系數(shù)則分別增加17.5%，26.8%，39.0%，這些數(shù)值明顯高于考慮接觸帶軟化時(shí)的值?？梢姡佑|帶軟化土體的存在削弱了含石率對土石混合邊坡穩(wěn)定性的影響。此外，不考慮接觸帶土體軟化的土石混合邊坡下、上限安全系數(shù)的變異系數(shù)也高于考慮軟化接觸帶時(shí)的數(shù)值。因此，接觸帶軟化土體的存在也削弱了塊石隨機(jī)分布位置對土石混合邊坡穩(wěn)定性的影響。

圖8 土石混合邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果對比

5 結(jié) 論

通過隨機(jī)模型生成系統(tǒng)，構(gòu)建了含接觸帶的土石混合邊坡模型，采用極限分析法分析了接觸帶土體軟化對邊坡穩(wěn)定性的影響，并將計(jì)算結(jié)果與不考慮接觸帶土體軟化的結(jié)果進(jìn)行了對比分析，主要結(jié)論如下。

(1) 相同含石率下，含接觸帶土體軟化的土石混合邊坡下限安全系數(shù)隨著塊石位置的不同，變化較小，但是其最大、最小上限安全系數(shù)相差0.18(VRBP=60%)。

(2) 隨著含石率的增加，含接觸帶土體軟化的土石混合邊坡的滑動面呈彎曲型，并且滑動面都穿過軟化接觸帶。

(3) 土石混合邊坡中接觸帶土體的軟化削弱了含石率及塊石空間分布對其安全系數(shù)的影響。