不同含石率及坡度條件下土石混合體路塹高邊坡失穩(wěn)機(jī)制分析

■覃國(guó)強(qiáng)

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，南寧 530001）

土石混合體是塊石與土體介質(zhì)以一定配比混合而成的天然混合物，是經(jīng)由長(zhǎng)期地質(zhì)作用，如風(fēng)化、侵蝕、剝離、搬運(yùn)等地質(zhì)營(yíng)力條件下沉積而成的松散堆積體，具體由塊體、礫石與砂土、黏土等多種固體顆粒共同組成。 不同于一般的純土質(zhì)邊坡，土石混合體邊坡的結(jié)構(gòu)特征為塊石鑲嵌在細(xì)粒土中，從而導(dǎo)致邊坡具有極大的不連續(xù)性與不均勻性。 我國(guó)土石混合體邊坡具有形成概率高、分布范圍廣、規(guī)律性差異大等顯著的特點(diǎn)，如該類型邊坡失穩(wěn)機(jī)制不明確，將嚴(yán)重影響了我國(guó)公路事業(yè)建設(shè)，帶來(lái)巨大的投資風(fēng)險(xiǎn)以及不可預(yù)估的安全隱患。 因此，有必要對(duì)土石混合體邊坡的變形機(jī)理、 破壞特征、滑動(dòng)誘發(fā)機(jī)制以及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外研究者采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、 數(shù)值模擬等方法針對(duì)土石混合型邊坡穩(wěn)定性、破壞機(jī)理開(kāi)展了系列研究，并取得了較大的進(jìn)展。 在室內(nèi)試驗(yàn)方面，唐建一等[1]通過(guò)大型直剪試驗(yàn)分析了不同含石率與不同法壓下土石混合體的抗剪強(qiáng)度和剪縮、剪脹特性三者之間的關(guān)系；楊忠平等[2]通過(guò)室內(nèi)大型直剪試驗(yàn)與離散元數(shù)值模擬對(duì)不同含石率對(duì)土石混合體—基巖界面剪切力學(xué)特性的影響及接觸面剪切破壞機(jī)理進(jìn)行了研究；夏加國(guó)等[3]結(jié)合地球物理勘探方法以及圖像處理技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)精細(xì)探測(cè)與宏—細(xì)觀結(jié)構(gòu)模型的統(tǒng)一。 在塊體建模方法上，主要有數(shù)字圖形建模與隨機(jī)生成法2 種方法：Zhao 等[4]通過(guò)數(shù)字圖像處理建立塊體庫(kù)，基于改進(jìn)的交點(diǎn)檢測(cè)算法，構(gòu)建土石混合體邊坡的數(shù)字模型，研究不同塊體尺寸分布和巖石含量的土石混合邊坡的穩(wěn)定性；賀勇等[5]應(yīng)用數(shù)字圖像化處理的方式， 構(gòu)建了塊石的數(shù)字化模型，并運(yùn)用蒙特卡洛方法隨機(jī)生成了特定含石率和級(jí)配的土石混合體邊坡模型；吳冠雄等[6]采用Delaunay 三角網(wǎng)格的集聚指數(shù)對(duì)塊石間空間位置分布關(guān)系進(jìn)行了分析。 此外，一些學(xué)者采用數(shù)值模擬方式對(duì)土石混合體邊坡進(jìn)行了模擬分析。 如Gao 等[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直剪試驗(yàn)獲得了SRM 邊坡的土強(qiáng)度參數(shù)，并利用有限元數(shù)值方法模擬了SRM 邊坡的破壞特征和穩(wěn)定性；劉康琦等[8]采用數(shù)字圖像技術(shù)構(gòu)建了土石混合體邊坡模型，并利用強(qiáng)度折減法對(duì)土石混合體邊坡變形及穩(wěn)定性展開(kāi)了數(shù)值分析；陳曉等[9]建立了顆粒離散元數(shù)值模型，對(duì)比分析了土石混合體邊坡與土質(zhì)邊坡之間滑面形態(tài)及破壞模式；李芬等[10]基于FLAC3D 軟件編制了邊坡穩(wěn)定性計(jì)算的Fish 語(yǔ)言，分析了高邊坡坡體穩(wěn)定性；金磊等[11]采用三維離散元軟件構(gòu)建了考慮土石混合體邊坡細(xì)觀結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，研究了巖塊結(jié)構(gòu)、形狀、分布等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定性與破壞模式的影響；劉順青等[12]建立了考慮不同含石率和基覆巖層傾角土石混合體的邊坡有限元模型，分析了邊坡的穩(wěn)定性。 基于前人的研究，本文依托崇左—愛(ài)店高速公路項(xiàng)目工程，針對(duì)土石混合體路塹高邊坡失穩(wěn)機(jī)制開(kāi)展研究，分析不同含石率、不同坡角條件下土石混合體路塹高邊坡穩(wěn)定性，通過(guò)數(shù)字圖像處理獲取大量與真實(shí)巖塊相似的塊體輪廓，建立巖石塊體庫(kù)，借助MATLAB 軟件將塊體庫(kù)隨機(jī)投放在指定區(qū)域，并利用FLAC3D 軟件建立高邊坡土石混合體模型，分析多因素下土石混合體路塹高邊坡失穩(wěn)規(guī)律。

1 工程概況

崇愛(ài)高速公路位于廣西崇左市， 主線長(zhǎng)55.1 km，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km/h，路基寬度26 m，為雙向四車道一級(jí)公路。 該高速公路各段線路以不同的角度呈弧形或近直線型通過(guò)邊坡區(qū)，所形成的人工高邊坡一共有30 處，填方路基最大邊坡高度為49.0 m。挖方路基最大邊坡高度為84.51 m。 沿線土石混合體邊坡分布較為廣泛， 邊坡整體呈現(xiàn)上陡下緩，在多年的地質(zhì)構(gòu)造作用下，形成了深厚坡洪積不良地質(zhì)體，極易引發(fā)邊坡滑動(dòng)，在不同環(huán)境和施工開(kāi)挖卸載影響下路塹高邊坡存在極高的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。

2 模型構(gòu)建

2.1 隨機(jī)塊體模型生成

考慮到塊體尺寸的分布將對(duì)土石混合型邊坡失穩(wěn)機(jī)制產(chǎn)生重要影響，所有模型將根據(jù)相同的塊石級(jí)配曲線和含石率，生成對(duì)應(yīng)的塊石數(shù)目，其級(jí)配曲線如圖1 所示。 塊體模型生成具體步驟如下：（1）利用數(shù)字圖像處理技術(shù)采集不同邊坡塊石的樣本并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)；（2）對(duì)采集到的塊石樣本的原始圖像進(jìn)行識(shí)別、重生成等預(yù)處理，利用Photoshop軟件將單獨(dú)分割的塊石圖片進(jìn)行灰度處理，使用MATLAB 的fspecial 和imfilter 函數(shù)對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理，降低了圖像的噪聲；（3）進(jìn)行二值化處理，將圖像背景設(shè)置為白色，黑色填充塊石內(nèi)部；（4）利用MATLAB 中內(nèi)嵌的Canny 邊緣檢測(cè)算法提取邊緣點(diǎn)的像素點(diǎn)，即獲得塊石邊緣各點(diǎn)的精確坐標(biāo)，將由Canny 算法所獲得的邊界像素點(diǎn)采用平滑化樣式處理，得到由多段直線段共同組成的輪廓邊界；（5）將所有的塊石樣本的長(zhǎng)軸、水平夾角、短軸長(zhǎng)度、形心坐標(biāo)進(jìn)行規(guī)則化處理，最終由這些石塊輪廓組成塊體庫(kù)。 在塊石已存在的情況下，利用MATLAB 編寫程序進(jìn)行蒙特卡羅模擬，從塊體庫(kù)中提取石塊輪廓在邊坡區(qū)域內(nèi)隨機(jī)生成。 當(dāng)計(jì)算得到的含石量（各塊石面積之和/邊坡模型整體面積）與輸入的額含石量相對(duì)應(yīng)，利用“while”命令循環(huán)停止提取，允許誤差在±2.5%。并且需要保證塊體隨機(jī)分布時(shí)塊體之間不發(fā)生重疊，塊體與邊坡邊界不發(fā)生交叉，避免模型無(wú)法運(yùn)行與塊體面積損失。

圖1 塊石級(jí)配曲線

2.2 邊坡模型構(gòu)建

為了完成三維模型創(chuàng)建，將所有MATLAB 輸出文件替換成腳本文件，以便于在AutoCAD 軟件中呈現(xiàn)，并以DXF 格式保存，最后將DXF 文件導(dǎo)入到Rhino，根據(jù)所需含石率要求和Rhino 軟件的面積計(jì)算功能，對(duì)模型進(jìn)行修正，沿厚度方向拉伸0.5 m，形成準(zhǔn)三維邊坡模型。 模型創(chuàng)建好后，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用以六面體網(wǎng)格為主，局部為四面體網(wǎng)格的方式，設(shè)置最小邊緣長(zhǎng)度為0.3 m，最大邊緣長(zhǎng)度為1 m，使用Rhino-to-FLAC3D 接口程序生成網(wǎng)格文件，最后導(dǎo)入到FLAC3D，如圖2 所示。 對(duì)模型設(shè)置邊界條件，模型頂部為自由邊界，底部為固定約束，四周采用法向約束，在自重作用下，達(dá)到平衡獲得自重應(yīng)力場(chǎng)。 石塊和土體均采用摩爾—庫(kù)倫模型，各組分物理力學(xué)參數(shù)如表1 所示。 為確保模型結(jié)果的可靠性，消除隨機(jī)誤差，對(duì)每個(gè)相同坡度和含石量的模型，隨機(jī)構(gòu)建3 個(gè)邊坡模型，即同一條件下，共進(jìn)行3 次穩(wěn)定性分析。

表1 土石混合體邊坡物理力學(xué)參數(shù)

圖2 土石混合體邊坡幾何模型

在計(jì)算土石混合體邊坡穩(wěn)定性時(shí)，目前常用的有限元及有限差分軟件主要采用強(qiáng)度折減法。 由于邊坡強(qiáng)度主要取決于其有效粘聚力c 和有效內(nèi)摩擦角φ， 因此強(qiáng)度折減法是將邊坡的粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 除以逐漸增大的折減系數(shù)， 通過(guò)連續(xù)試算，當(dāng)計(jì)算致邊坡無(wú)法維持自身穩(wěn)定時(shí)，即到達(dá)臨界失穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，則該邊坡的安全系數(shù)即為此時(shí)折減系數(shù)，具體公式如下：

式（1）、（2）中，ctrial、φtrial為土體折減后的有效粘聚力與有效內(nèi)摩擦角；Ftrial為折減系數(shù)；c、φ 為巖土體折減前的粘聚力、內(nèi)摩擦角。

在有限元分析中判斷邊坡達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)主要有以下3 種情況：（1）以模型計(jì)算是否能夠收斂或完全計(jì)算作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)軟件無(wú)法繼續(xù)收斂時(shí)，可表示此時(shí)邊坡已達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)；（2）以邊坡的坡頂或坡腳處一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)大變形或隨時(shí)間發(fā)展的位移拐點(diǎn)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；（3）以邊坡計(jì)算云圖中土體介質(zhì)是否出現(xiàn)連續(xù)且貫通的塑性區(qū)作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

3 穩(wěn)定性分析結(jié)果

3.1 不同含石率

采用FLAC3D 軟件分別對(duì)0%、10%、20%、30%、40%、50%含石率的土石混合體邊坡在自重荷載下進(jìn)行分析。 圖3 為不同含石率剪切帶和位移云圖，圖4 為不同含石率塑性區(qū)分布圖。 圖5 為不同含石率安全系數(shù)平均值。由圖3、4 可知，0%、10%的低含石率邊坡模型其剪切帶為圓弧形，而隨著含石率的增加，土石混合體邊坡內(nèi)部土體介質(zhì)塑性區(qū)的形成規(guī)律發(fā)生了很大變化，表現(xiàn)為塑性區(qū)分布不均勻、塑性區(qū)被塊石截?cái)嗟默F(xiàn)象。 土石混合型邊坡在穩(wěn)定狀態(tài)下存在潛在的剪切滑動(dòng)面，在邊坡強(qiáng)度受到折減后該滑動(dòng)面開(kāi)始發(fā)育， 與純土質(zhì)邊坡相比，滑動(dòng)面將由單一、光滑的圓弧形滑動(dòng)面逐漸變?yōu)槎鄺l曲折、較窄、繞石的滑動(dòng)面，并與1 條較寬的主滑裂面相接。 土石混合體內(nèi)部的土體介質(zhì)難以形成自下而上連續(xù)貫通的剪切滑動(dòng)面或塑性區(qū)。

圖3 不同含石率剪切帶和位移云圖

圖4 不同含石率塑性區(qū)分布圖

圖5 不同含石率安全系數(shù)平均值

隨著塊石含量的增加， 土石混合體邊坡的抗滑安全系數(shù)整體上逐漸提高。 但從定量角度分析：（1）當(dāng)邊坡塊石含量處于30%以下時(shí)，邊坡整體強(qiáng)度主要取決于土體介質(zhì)自身的強(qiáng)度，此時(shí)塊石分布較為分散，因此塊石與土體介質(zhì)之間的相互作用部分相對(duì)于整體邊坡而言偏少，塊石阻礙土體塑性區(qū)貫通的趨勢(shì)不足。 也就是說(shuō)，在低含石率邊坡情況下，塊石含量的增加對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性提升效果不明顯， 安全系數(shù)隨塊石含量增加的提升較為緩慢。（2）當(dāng)坡體塊石含量介于40%～50%之間，隨塊石含量的增加，填充于土體之間的塊石逐漸接觸并發(fā)生相互作用，此時(shí)土體和塊石共同承擔(dān)坡體荷載。 因塊石抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)高于土體介質(zhì)，在同等荷載條件下塊石受力達(dá)不到其塑性狀態(tài)，因此使得土體塑性區(qū)不易貫通。 即在高含石率的情況下，邊坡整體強(qiáng)度主要偏向于塊石與土體介質(zhì)之間的共同作用。 塊石與土體介質(zhì)的混合形成一種類似混凝土材料的不同粒徑混合體，由塊石充當(dāng)混合體的主要骨架承受荷載，土體介質(zhì)作為粒徑較小的物料充填在受力骨架的孔隙間作為傳力介質(zhì)，當(dāng)塊石與土體介質(zhì)配合比達(dá)到一定量時(shí)，邊坡穩(wěn)定性將迅速提升。 （3）在一定的含石率條件下，邊坡塊石含量的提高對(duì)邊坡的抗滑穩(wěn)定性更加有利。 在重力作用下，土體會(huì)隨滑移面剪切，從而形成剪切帶，然而在重力的作用下不足以使巖石發(fā)生剪切，因此剪切帶在遇到巖石時(shí)產(chǎn)生繞石及分叉繞石效應(yīng)。 根據(jù)坡體中塊石空間位置分布不同，土石混合體邊坡的剪切帶可能會(huì)呈現(xiàn)出3 種較為典型的發(fā)育模式， 即 “分流”“包含”和“繞石”模式。 其中“分流”模式因遇石分叉，使剪切帶沿著原先的圓弧線輻射開(kāi)來(lái)，導(dǎo)致剪切帶范圍的擴(kuò)大；“包含”模式是導(dǎo)致土石混合體邊坡產(chǎn)生多滑動(dòng)面的主要原因；“繞石”模式，改變了剪切帶的位置，引起坡體剪切帶的偏移。

3.2 不同坡度

基于30%含石率條件下，改變坡度，分別設(shè)置30°、35°、40°、45°、50°、55°的土石混合體邊坡模型。在保持坡頂與坡高不變的前提下伸長(zhǎng)基底，從而滿足坡度變化條件。 圖6 為不同坡度剪切帶和位移云圖，圖7 為不同坡度安全系數(shù)平均值。由圖6 和圖7可知，隨著坡度的增加，邊坡的安全系數(shù)逐漸降低，其剪切帶的范圍逐漸增大，由坡角向坡頂處逐漸延伸，且坡底的集中應(yīng)力也隨之增大。

圖6 不同坡度剪切帶和位移云圖

圖7 不同坡度安全系數(shù)平均值

隨著坡度的增加，土石混合體邊坡的抗滑安全系數(shù)逐漸降低。 在坡度較低時(shí)，邊坡的自重應(yīng)力較小，邊坡的滑動(dòng)力較小，安全系數(shù)較高。 隨著坡度的增加，在自重應(yīng)力增加的同時(shí)，自重應(yīng)力的切向分量比例也逐漸增大，此時(shí)邊坡維持當(dāng)前穩(wěn)定狀態(tài)更偏向于依靠自身粘聚力，當(dāng)外部荷載來(lái)臨，導(dǎo)致邊坡強(qiáng)度下降時(shí)，即內(nèi)摩擦角、粘聚力被折減，此時(shí)相對(duì)于坡度較緩的邊坡，高坡度邊坡更容易形成貫通滑動(dòng)面，導(dǎo)致邊坡的抗滑安全系數(shù)逐漸降低。 相對(duì)于土質(zhì)邊坡，土石混合體邊坡中存在塊石，在一定程度上提高了邊坡穩(wěn)定性，但相對(duì)于坡度增大所引起的滑動(dòng)力，土石混合體所形成的抵抗變形效應(yīng)尚且不足。 因此，盡管隨著坡度的增加，模型的分叉繞石效應(yīng)逐漸加強(qiáng)，但仍然導(dǎo)致土石混合體邊坡產(chǎn)生多滑動(dòng)面。 坡度的增加將導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低，而通過(guò)消減邊坡坡度將有利于提高邊坡穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

（1）相同坡度角條件下，由于石塊的存在會(huì)產(chǎn)生“繞石”效應(yīng)，隨之邊坡的含石率變化，坡度的安全系數(shù)也隨之變化。 在低含石率的情況下，石頭起到的作用較小，土石混合體邊坡穩(wěn)定性與土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性相似。 當(dāng)含石率高于30%時(shí)，邊坡的剪切帶發(fā)生分叉，塑性區(qū)向內(nèi)偏移，顯著提高了邊坡的穩(wěn)定性。 （2）相同含石率條件下，隨著坡度的增大，土石混合體邊坡的安全系數(shù)大幅度下降，邊坡的穩(wěn)定性也隨之下降。 塊石的存在在一定程度上提高的邊坡的穩(wěn)定性，但由于坡度的升高，坡體的滑動(dòng)力大幅度提高，導(dǎo)致了邊坡失穩(wěn)。 （3）針對(duì)路塹土石混合體高邊坡首先要注意其坡度， 當(dāng)其坡度較大時(shí)，要考慮多級(jí)放坡與削坡， 以減小坡體產(chǎn)生的滑動(dòng)力。 相對(duì)于土質(zhì)邊坡，土石混合體石塊的存在有利于提高邊坡穩(wěn)定性，可以減少削坡工程量。