陜南地區(qū)無黏性土邊坡穩(wěn)定數(shù)值模擬★

趙 陽 郭 鴻 蘇一辰 屈 晨 杜 宇

(1.陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000； 2.寶雞市第一建筑工程有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

陜南地區(qū)無黏性土邊坡穩(wěn)定數(shù)值模擬★

趙 陽1，2郭 鴻1*蘇一辰1屈 晨1杜 宇1

(1.陜西理工學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，陜西 漢中 723000； 2.寶雞市第一建筑工程有限責(zé)任公司，陜西 寶雞 721006)

為直觀的分析滑坡的細(xì)觀機(jī)理，對(duì)陜南地區(qū)無黏性土邊坡進(jìn)行了離散元模擬[1]，并利用顆粒流模擬方法，對(duì)土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和剪切帶形成機(jī)理進(jìn)行了微觀數(shù)值模擬，將土體微觀結(jié)構(gòu)與對(duì)應(yīng)的宏觀力學(xué)特性結(jié)合起來，分析了土體剪切帶的形成與發(fā)展過程，得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

滑坡，數(shù)值模擬，離散元，顆粒流

0 引言

土坡的失穩(wěn)破壞過程，不是一個(gè)靜態(tài)過程，而是存在著土塊的滑移、翻轉(zhuǎn)和斷裂以及土體逐漸變松等較復(fù)雜的過程。土體在宏觀上具有不連續(xù)性以及單個(gè)塊體運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)不確定性，邊坡土體的不同位置的力學(xué)性質(zhì)、位移的規(guī)律等也不盡相同。所以研究土體的破壞過程并非易事。20世紀(jì)70年代提出的離散元法就是一種研究滑坡動(dòng)力特性的數(shù)值方法，它利用顆粒流模擬土坡的變形破壞的過程中從細(xì)觀上定義顆粒之間的接觸關(guān)系，該計(jì)算過程是邊坡內(nèi)部求得穩(wěn)定狀態(tài)的自然調(diào)整過程，故不要求具有連續(xù)的位移和協(xié)調(diào)的變形，通過模擬過程便可直觀得到邊坡的滑倒、開裂的過程，以及最后滑裂面的形狀和位置。所以利用離散元法進(jìn)行模擬很合理，可以說是模擬邊坡變形破壞特性的比較理想的途徑。本文利用顆粒流對(duì)陜南地區(qū)砂性土進(jìn)行了模擬。

1 模型建立

邊坡失穩(wěn)一般是滑動(dòng)面的剪切破壞。所以，邊坡的最大剪應(yīng)力就成為決定邊坡穩(wěn)定性的最重要的因素之一。本文采用PFC模擬滑坡穩(wěn)定。和其他建模方法不同的是，PFC建立的模型首先在自重作用下平衡后，再設(shè)置強(qiáng)度參數(shù)。首先建立高10 m，長(zhǎng)20 m的邊坡。讓其先在自重作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基本模型初始穩(wěn)定狀態(tài)(見圖1)。接著對(duì)矩形邊坡基本模型進(jìn)行3次開挖，每次開挖2 m深度(開挖顆粒是為了產(chǎn)生卸載作用來破壞PFC模型整體性)建立邊坡模型，直到邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，坡高為6 m，坡角60°。我們?yōu)槿菀子^察細(xì)小顆粒的移動(dòng)情況，把土體顆粒隔一定距離設(shè)置為不相同顏色，如圖2所示。

2 模擬過程及結(jié)果分析

邊坡的破壞形式受外界因素和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響。邊坡的開裂、失穩(wěn)從根本上來講是土坡本身求得穩(wěn)定狀態(tài)的自然修整過程。對(duì)土體而言，決定土體穩(wěn)定的主要因素是其抗剪強(qiáng)度和弱結(jié)構(gòu)面。另一方面，自然作用和人類活動(dòng)對(duì)邊界條件的影響也就是改變了土體結(jié)構(gòu)的力學(xué)性質(zhì)。因此，結(jié)構(gòu)對(duì)土體穩(wěn)定有重要影響，有必要基于土體自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，探索土體的細(xì)觀參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定的影響規(guī)律。

應(yīng)用數(shù)值模擬進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)為使邊坡處于臨界失穩(wěn)狀態(tài)，通?？刹捎玫姆椒ㄓ兄亓υ黾臃╗2]。根據(jù)重力增加法的定義，對(duì)于PFC模型來說，在模型計(jì)算中保持其他參數(shù)不變而重力加速度逐漸增加直到邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)。在實(shí)際計(jì)算中，可以采用二分法的計(jì)算方法，快速找到臨界加速度。本文提出的PFC邊坡模型可以在重力增加法的作用下，自動(dòng)形成破壞初始滑動(dòng)面也就是最危險(xiǎn)滑動(dòng)面。

根據(jù)宏細(xì)觀參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)無黏性土坡進(jìn)行模擬。顆粒體生成后在自重應(yīng)力下逐漸達(dá)到平衡狀態(tài)，然后刪去多余的顆粒形成設(shè)定的邊坡形狀。由于刪除顆粒后，底部顆粒應(yīng)力變化，故需在形成邊坡后需要進(jìn)一步平衡，使邊坡達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)?？紤]到計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力和精度，本模擬減小了實(shí)際土顆粒的數(shù)量，即模擬采用的顆粒半徑大于實(shí)際土顆粒半徑。

PFC2d模擬過程見圖3～圖8。由圖可以看出，無黏性土坡中，顆粒首先由坡頂向下運(yùn)動(dòng)，然后帶動(dòng)相鄰的顆粒繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，把坡腳處起承壓作用的砂粒帶動(dòng)后便使整個(gè)坡腳的顆粒向外滑出，繼而導(dǎo)致坡面中上部的土顆粒失去支撐作用而發(fā)生較大規(guī)模的滑動(dòng)。由于顆粒之間沒有粘結(jié)力，完全是靠顆粒之間的接觸力來維持平衡，當(dāng)前面的顆?；氯ズ螅竺娴念w粒在失去支撐后馬上滑至前面的顆粒留下的空白處。從模擬過程還可以明顯看出來，在剛開始時(shí)坡腳出現(xiàn)壓密現(xiàn)象，即圖中坡下部分的格子距離不斷變小，而土坡的中部和頂部表現(xiàn)為受拉即在坡的中部和頂部由上而下開始出現(xiàn)較大的錯(cuò)動(dòng)，在坡頂出現(xiàn)較明顯的滑移—拉裂型破壞面，但是滑坡體內(nèi)的距離變化并不是很大，坡體底部砂土出現(xiàn)隆起現(xiàn)象。

3 擋土墻模擬

傳統(tǒng)的邊坡加固設(shè)計(jì)及處理措施主要是沿線設(shè)置點(diǎn)，如抗滑擋墻和抗滑樁，一般說是有效的，其加固作用是提高巖體的整體性和自身的強(qiáng)度，從而達(dá)到邊坡穩(wěn)定的目的[3]。在較大規(guī)模邊坡治理措施的選擇時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮整體性加固措施。本文就采用了擋土墻進(jìn)行支擋防護(hù)，用PFC2d進(jìn)行了相應(yīng)的模擬。擋土墻尺寸高2 m，埋深0.5 m，頂部寬0.46 m，底部寬1 m。從圖9，圖10可以看出添加擋土墻后，施加在墻背的被動(dòng)土壓力不均勻，隨著時(shí)間的推移，墻背的壓力變得均勻，墻后土體的位移也逐漸減小，邊坡也逐漸趨向穩(wěn)定狀態(tài)，如圖11,圖12所示。

4 結(jié)語

通過資料對(duì)本地區(qū)土性的基本了解，主要以無黏性邊坡為研究對(duì)象，利用顆粒流模擬方法，對(duì)土體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和剪切帶形成機(jī)理進(jìn)行微觀數(shù)值模擬，將土體微觀結(jié)構(gòu)和對(duì)應(yīng)的宏觀力學(xué)特性聯(lián)系起來，對(duì)土體剪切帶的形成與發(fā)展等進(jìn)行了解。主要得出了以下結(jié)論：

1)從實(shí)驗(yàn)結(jié)果明顯可以看出，可以用顆粒流進(jìn)行模擬，該模擬過程不需要事先假設(shè)滑移面的狀態(tài)，粒子按照接觸力的位置，使其從抗剪強(qiáng)度最小的位置發(fā)生破壞。

2)從理論上講荷載所引起的土坡破壞形式和由于土坡本身抗剪強(qiáng)度不足而引起的土坡破壞的形式有所不同。一般來說由于土體強(qiáng)度不足的破壞，首先是坡腳先開始小的滑坡，最后導(dǎo)致較大的滑坡。其破壞形式為上部拉裂、中部剪切，底部擠壓；但是受外部荷載作用而破壞的土體破壞形式有點(diǎn)不同，為上部擠壓破壞，中部和底部均為剪切破壞。

3)從顆粒流模擬過程中可以明顯看出砂性土坡的破壞具有瞬時(shí)突發(fā)性，當(dāng)外荷載達(dá)到一定后，突然形成直線型的破壞面。

[1] 胡 徽，陳 華，包文靜.邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析方法研究進(jìn)展[J].公路交通科技，2010(8)：65-67.

[2] 周 健，王家全，曾 遠(yuǎn).土坡穩(wěn)定分析的顆粒流模擬[J].巖土力學(xué)，2009(1):86-90.

[3] 周偉義,彭衡和,鄭祖勇.高速公路路塹邊坡治理綜合決策[J].公路，2003(1):113-117.

Numerical simulation of slope stability of southern Shaanxi non-cohesive soil★

Zhao Yang1，2Guo Hong1*Su Yichen1Qu Chen1Du Yu1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China；2.BaojiNo.1ConstructionCo.,Ltd,Baoji721006,China)

In order to analyzes the meso-mechanism of landslides, the paper has the distinct element simulation of the non-cohesive soil in Southern Shaanxi areas, adopts the grain flow method to simulation method to have the micro-numeric simulation of the soil stress and strain relationship and mechanism of the shear zones by combining the soil microstructures with the respective macro-dynamic features, analyzes the formation and development of the soil shear zones, and achieves valuable conclusion.

landslide, numeric simulation, distinct element, grain flow

2015-05-25★：陜西省教育廳基金和陜西理工學(xué)院創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃基金支持

趙 陽(1992- )，男； 蘇一辰(1993- )，女，在讀本科生； 屈 晨(1993- )，女，在讀本科生； 杜 宇(1992- )，女，在讀本科生

郭 鴻(1984- )，男，博士，講師

1009-6825(2015)22-0061-02

TU413.62

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