基于含石量差異的土石復合體邊坡穩定性及失穩機制分析

摘要：文章借助FLAC數值模擬系統，將土石復合體視為一種二元物材料，以數理模擬計算的方式，對含石量差異下的土石復合體邊坡穩定性及失穩機制問題進行分析，以為同類工程應用提供研究和技術參考，助力建設安全牢固的土石復合體邊坡工程。

關鍵詞：土石邊坡;復合體;含石量;穩定性;失穩機制;分析探究

0 引言

在工程中，通常將土石復合體看作是一種特殊的均質土體進行處理，也會將其看作是不可分割的整體進行處理，由此便可直接確定出其整體抗剪強度參數c和φ。在對瑪河流域內土石復合體邊坡的現場情況進行實地考察與深入研究后發現，該地區的塊石不僅分布差異大，而且構成量不均。如果將該邊坡計算模型設定為單一地質體構造，并將土石復合體看作是一種不間斷均質地質材料，由此生成的計算結果與其他性質的邊坡大體相同，但與現實情況卻存在很大不同。故在本研究中，筆者將土石復合體視為一種二元物材料進行數值模擬分析，也就是說，邊坡構造比較簡單，只由黏土和塊石構成。具體來講，先根據塊石構成量建立相匹配的邊坡模型，再將黏性土視為基質，無規律地分布塊石。

1 模擬土石復合體邊坡方法簡述

無論哪種性質的材料，一般的計算方法都根據勘察材料對邊坡進行地層劃分，還會將各地層全部看作是均質體。不過，由于土石復合體邊坡與常規邊坡不同，倘若也將其看作均勻地質體，則很難達到預期的優化效果，因此需將其看作是一種“二元物”材料，即只由黏土和塊石組成的一種簡單構造。由于塊石有大有小，分布過于散亂，不僅增強了土石復合體的力學復雜性，還形成了不同尋常的損壞模式。本文旨在從源頭上探討土石復合體邊坡的穩態性和失穩機制，引入了功能強大、操作便捷的FLAC模擬系統，期望能獲得更客觀、更真實的數據結果。

1.1 FLAC簡介

FLAC數值模擬系統是當前頗受業界人士推崇與青睞的一款專業分析軟件，它由國外知名企業Itasca自主研發，現已憑借操作便捷、功能強大、精準可靠等優勢在支護設計、礦山工程等眾多領域實現了規模化普及與廣泛應用。由于FLAC在模擬地質材料方面具有無與倫比的優勢，無需過多計算便能推導出邊坡的安全常數，確定出剪應變帶及彈塑區，因此成為巖土工程領域研究的常用軟件之一。另外，FLAC內置主流編程語言FISH，用戶可根據自身需求設計相應的程序語句，以確保FLAC的功能優勢被全面發揮。在本課題研究中，筆者利用強大的FISH語言編寫算法語句并對土石復合體中的土石構造進行直接模擬，而這些操作可完全通過FLAC軟件完成，用戶不用另行外接編碼程序。值得一提的是，本方法支持用戶對各項參數的自行設定，比如模型規格、單位長度和塊石構成量等。

1.2 模擬土石復合體邊坡的模型實現方法

在本研究中，可將土石復合體看作是只由塊石和土體構成的“二元物”構造。為簡化模擬程序、減少計算量，需借助FLAC中的網絡單元對土體和塊石的屬性進行賦值。但在實際操作中，需注意以下幾點：（1）如何實現塊石離散、隨機分布，以盡可能地貼合實際情況，并非人為地分布塊石;（2）如何合理確定含石量。實際上，利用FISH語言編程就能妥善解決上述問題。

在FLAC模擬分析軟件中，可通過坐標（i，j）對網絡部位進行標記，為保證塊石隨機分布，可通過自行編制的FISH語言生成隨機實數對（i，j）來實現，i及j指的是網絡的橫、縱坐標。由此便可通過科學定位的方式隨機分布塊石，通過網絡數目定義含石量。

2 土石復合體邊坡數理模型

由于在本研究中只涵蓋了土體和塊石這兩種簡單的地質材料，為深入探討與全面研究邊坡穩態性，要先確定出這兩種材料的物理力學參數值。筆者根據文獻，利用Mohr-Coulomb模型確定了這兩種材料物理力學參數的具體值，見表1。

通過細致觀察可以發現，邊坡模型規格與前文反演計算邊坡模型無任何差異。為精準確定出不同含石量對邊坡穩態性和失穩機制造成的影響，筆者先對均質土質邊坡進行了有效計算，也就是對含石量為0的邊坡穩態性進行了勘察計算，并將由此生成的結果作為參照。邊坡計算模型網絡邊長度為0.33 m，由于土石復合體中>0.33 m的塊石構成量低于50%，所以筆者只對含石量≤50%的邊坡穩態性進行研究。

通過圖1可對不同含石量的邊坡穩態性有更直觀的了解與認知。其中，土體用黑色塊描述，塊石用白點描述。在含石量相同但塊石分布不同的情況下，通過本方法也能構建出相匹配的邊坡模型，從而也就能探討出塊石分布與邊坡穩態性之間的關系。

3.1 邊坡的穩定性和失穩路徑分析

通過圖2可對含石量差異下邊坡的安全常數演變曲線有更直觀的了解與認知。為了實施比對分析，筆者專門設置了A、B、C這3組，以探討出塊石分布不同但含石量遞增使土石復合體邊坡穩定性發生變化的情況。但因為篇幅較短，只構建了A組含石量為0～50%塊石分布邊坡模型。通過圖2數據分析發現，在含石量為0的情況下，邊坡的安全常數為1.04。在含石量不斷增大的情況下，邊坡的安全常數也表現出明顯的遞增趨勢。很明顯，這與宏觀認知是完全相同的，也就是說塊石的含石量與土質邊坡的力學機能變化存在直接聯系，不過因為每組邊坡的塊石分布不同，即便含石量不斷增大，邊坡的安全常數走勢也會出現明顯差異。在含石量不斷增大的情況下，B組的安全常數迅速升到了1.22，而A僅為1.14。但C組卻出現了截然不同的情況，雖然含石量持續增加，不過安全常數卻一直走低，說明這與土體本身的特性存在密切關聯。在FLAC模擬系統中，利用強度折減法對邊坡穩態性進行計算，同時將有無彈塑區貫通或計算不收斂作為失穩判定依據。由于土體構成量隨著塊石構成量的不斷增大而持續走低，而且低強度土體容易形成彈塑區，所以含石量增大會加大彈塑區貫通難度，從而也就能有效強化邊坡穩態性。不過因為塊石是隨機分布，一旦過度集中于坡體上部，必然會加大下滑力，反倒更容易使彈塑區貫通，也就無法保證邊坡的穩定性。當含石量為30%及40%時，B、C兩組的安全常數一致，這表明在塊石分布不同的條件下，邊坡的整體穩態性也能相統一，但并不意味著邊坡的失穩機制是完全一致的。[FL）]

通過圖3可對含石量為0～50%的邊坡滑移帶的演變情況有更直觀的認知與了解。邊坡的滑移帶在含石量為0也就是說邊坡為均質土質構造的情況下，呈不規則形狀，邊坡中部和底部形成了最大切剪應變力，滑移帶整體呈弧線形。邊坡的最大切剪應變率因含石量持續增大而相應減低，由此表明，塊石的嵌入能對邊坡的力學機能起到良好的改善作用，還能從整體上強化邊坡抗剪力。相較于均質土質邊坡，土石復合體邊坡的滑移帶則因含石量增加而呈現凹凸不平的形狀，不僅寬度會相應增加，發生數個分支，還容易出現裂斷，此種態勢會因含石量不斷增加而愈加明顯，最終致使滑移帶形成不規則形狀，即失穩路徑愈加不明顯。盡管在含石量很少時，均質土質和復合體這兩種邊坡的差距不太明顯，但都不能呈規則形狀，而且表面凹凸更為顯著，其原因是塊石使均質邊坡力學特性發生了變化，而且滑移帶繞過了大抗剪強度的塊石。通過實驗數據分析發現，切剪應變力不再聚集于邊坡上部，而是轉移到了邊坡中部及下部。

邊坡滑移帶形狀因含石量的不斷加大而愈發不規則，而且局部切剪應變較大區域聚集了不斷增大的應變力，致使邊坡整體不再呈條帶狀，邊坡的中下部不僅是應力集中區，還是易失穩損壞區。在失穩的過程中，由于抗剪強度參數持續減低，就容易在強度小的土體區域發生屈服，而邊坡中塊石仍處在彈塑性狀態，因此滑移帶通常繞過邊坡中的塊石，形成特有的“繞石”現象，恰恰這是導致滑移帶不規則且呈“聚團”狀的真正原因。與室內三軸實驗等不同，因為邊坡未形成較大的剪應力，因此在失穩損壞期間，塊石很難破碎，“繞石”現象也就愈發突出。滑移帶形狀不規則的另一原因是塊石聚團，由于塊石的影響，滑移帶呈裂斷狀，而無法形成真正意義上的連通區域，此種表現在含石量為50%時更為嚴重，滑移帶不僅無序還不規則，不僅呈明顯“聚團”狀，也存在多分支構造發生，甚至局部切剪帶延伸到坡面呈一定角度與坡面相交。

3.2 邊坡失穩機制的數理分析

通過圖4可對含石量為0～50%的邊坡彈塑區的演變情況有更直觀的認知與了解。承拉屈服區域在含石量為0時主要分布在坡頂中部，受剪屈服區域則從坡頂一直貫通到底部，由此構成一條完整、規則且呈流暢弧線形的彈塑區貫通帶。在含石量不斷加增的情況下，承拉屈服區域主要出現在邊坡頂部，但分布不均勻，關鍵是此種現象會因含石量越大而愈加嚴重。但受剪屈服區域卻演變成為不規則形狀，并與承拉屈服區域盤根交叉。

在含石量控制在10%～20%的情況下，受剪屈服區域演變與滑移帶比較相近，但由于塊石的存在，受剪屈服區域呈不規則條帶狀。受剪屈服區域與承拉屈服區域互相交錯形成彈塑區貫通帶，頂部出現較為明顯的承拉損壞，而中部及底部則表現為受剪損壞，特別是滑移帶上部巖土體失穩最嚴重，但滑體整體性能表現為良好。

在含石量達到30%～50%的情況下，邊坡內部受剪屈服區域會發生明顯移位，整體演變趨勢為：邊坡內部→坡面附近→坡體內部，受剪屈服區域呈不規則形狀，并與承拉屈服區域盤根交錯。承拉屈服區域主要分布在邊坡頂部，距離坡面非常近，通過交錯受剪屈服區域構成彈塑性貫通帶。因為受剪屈服區域分布在中下坡的表面，并與承拉屈服區域盤根交錯，一旦下部坡體失穩必然會引發垮塌式散體狀損壞，其原因是塊石及土體力學特性差異過大。具體來講，在含石量持續增大的情況下，當邊坡發生損壞時，塊石及土體觸接面容易受剪或者承拉屈服，也就容易形成散體狀損壞。再加上在邊坡頂部形成了拉應力帶，在下部穩定性能喪失后，頂部巖土體就會迅速形成拉裂帶，部分土石復合體緩慢墜落，從而構成下部垮塌-上部拉裂滑坡。此種表現在含石量為50%時尤為嚴重。另外，受剪屈服區域與承拉屈服區域互相交錯，會加大屈服巖土體深度，也就不能形成獨立的屈服帶，則會演變成為塊狀彈塑性屈服區域。

4 結語

本研究以數理模擬計算的方式，對含石量差異下的土石復合體邊坡穩定性及失穩機制問題開展專題分析探究。主要收獲為：（1）介紹了將土石復合體視為一種二元物材料的土石復合體邊坡模擬方法;（2）基于二元物材料設定建立了土石復合體邊坡數理模型;（3）基于含石量差異，對土石復合體邊坡穩定性和失穩機制開展了數值計算和機制分析，邊坡穩定性和失穩路徑分析揭示：塊石的含石量與土質邊坡的力學機能變化存在直接聯系，低強度土體容易形成彈塑區，高含石量則會加大彈塑區貫通難度，塊石過度集中于坡體上部，會加大下滑力，增大彈塑區貫通發生概率，威脅邊坡穩定性;（4）邊坡失穩機制的數理分析揭示，含石量控制在10%～20%的情況下，受剪屈服區域演變與滑移帶比較相近，在含石量達到30%～50%的情況下，邊坡內部受剪屈服區域會發生明顯移位，趨勢為：邊坡內部→坡面附近→坡體內部，受剪屈服區域呈不規則形狀，并與承拉屈服區域盤根交錯。

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作者簡介：蒙培峰（1988—），工程師，從事公路橋梁勘察設計工作。