基于PFC2D的土體結構性對邊坡穩(wěn)定影響的研究

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、下滑迅速且解體嚴重的邊坡，對當?shù)厝嗣竦纳敭a造成了重大損失。這類邊坡在產生滑動之前未發(fā)生明顯的變形跡象，這就給預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構性較強的土體，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構性強度有關。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軟件模擬不同結構性強度邊坡在自然失穩(wěn)條件下的解體程度和位移特征。結果表明：結構性強度越高的邊坡整體位移越小，說明結構性強度越高前期蠕變階段越小，邊坡失穩(wěn)是突發(fā)性的。另外結構性強度高的邊坡相較于結構性強度低的邊坡滑動面也更小，說明土體邊坡結構性是影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素之一。

關鍵詞：PFC2D;離散元法;數(shù)值模擬;結構性土

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災害投入了大量的工程經費，因此很有必要加強對邊坡方面的研究。一般的邊坡產生滑坡大多會發(fā)生蠕變變形這一前期階段。因此可以得到提前預警預防發(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)后其滑動面強度發(fā)生了快速的下降。根據(jù)這一特點和現(xiàn)有對滑坡的認識，一個合理的假設就是發(fā)生該類滑坡的邊坡體存在較大的結構性強度[3]，林威[5]研究得出土體結構性的存在增強了土體抵抗外荷載破壞的能力，但一旦結構受到破壞邊坡穩(wěn)定性就會急劇下降的結論;劉邦安[6]通過實驗發(fā)現(xiàn)結構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。因此將土體結構性作為邊坡穩(wěn)定性的一個影響因素進行研究十分必要。這對于以后防災減災技術的發(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行模擬，適用于滑動面已知的情況。由于本文研究的結構性土坡滑動面位置未定，故采用ball-ball法進行建模。

（二）參數(shù)選取

PFC2D數(shù)值模擬要能真實反映實際邊坡工程的變形特點必須要對其參數(shù)的選取達到很接近工程實際的程度，微觀參數(shù)的選取通常是在PFC2D中進行反復的虛擬雙軸壓縮試驗[4]得到應力-應變曲線與室內壓縮試驗曲線進行匹配，最終得出滑坡體的微觀力學參數(shù)。通過先前學者所進行實驗所得到在PFC中宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)的實驗數(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，按坡體結構性的高、中、低順序排列。然后對邊坡地層進行削坡如下圖所示。根據(jù)上述分別按高、中和低結構性強度土體進行微觀賦值。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置接觸參數(shù)，最后用solve設置平衡條件求解。使得三種邊坡在自重條件下緩慢由平衡狀態(tài)轉化為失穩(wěn)狀態(tài)，并得到最終的邊坡失穩(wěn)位移圖。

（二）結果及其分析

最終邊坡在失穩(wěn)之后不同強度結構性土坡位移運動特征如下圖表示。

如上圖所示可得高強度結構性邊坡最大位移較小，并且整體上運動的顆粒數(shù)較小并且滑動面不大，中強度結構性邊坡最大位移較大整體上運動顆粒數(shù)較多，滑動面略大于高強度邊坡。低強度結構性邊坡最大位移接近于高強度邊坡，但是整體上運動的顆粒數(shù)量最多，并且滑動面也是三個中最大的一個。從上述模擬結果可以看出：高結構性強度邊坡的運動范圍較小，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、低結構性強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。上述結果表面土體的結構性強度確實會對邊坡失穩(wěn)的突發(fā)性產生影響。

三、結論

以離散元數(shù)值模擬為基礎，對土體結構性強度對邊坡穩(wěn)定性的影響進行了分析。所得結論如下：

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

2.邊坡土體的結構性強度越高則其失穩(wěn)后的最終位移越小，運動的顆粒數(shù)量也較少，說明其失穩(wěn)突發(fā)性高，對其進行預警更加困難。

參考文獻：

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[3]劉恩龍，沈珠江. 結構性土的強度準則[J].巖土工程學報，2006，28（ 10） ：1248 - 1252.

[4]焦玉勇，王浩，馬江鋒.土石混合體力學特性的顆粒離散元雙軸試驗模擬研究[J].巖石力學與工程學報，2015，34（ S1） ：3564 - 3573.

[5]林威. 花崗巖殘積土結構性與邊坡穩(wěn)定分析[D].福州大學，2014.

[6]劉邦安. 結構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，2008.

基金項目：重慶科技學院校級科創(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