接觸帶土體軟化對(duì)土石混合邊坡穩(wěn)定性影響分析

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(guó)各類基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，常會(huì)遇到土石混合邊坡，因此，弄清其失穩(wěn)機(jī)理對(duì)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(píng)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(zhǎng)軸傾角等因素對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)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(jí)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(gè)塊石的隨機(jī)分布位置，共進(jìn)行了61個(gè)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(duì)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(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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?，接觸帶軟化土體的存在削弱了含石率對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(dòng)面呈彎曲型，并且滑動(dòng)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(duì)其安全系數(shù)的影響。