基于PFC2D的土體結構性對邊坡穩定影響的研究

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，對當地人民的生命財產造成了重大損失。這類邊坡在產生滑動之前未發生明顯的變形跡象，這就給預警工作帶來諸多難度。根據現有統計發現云南地區發生此類滑坡較多，而云南地區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，這些現象之間似乎存在某種必然聯系，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，邊坡失穩是突發性的。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定性的重要因素之一。

關鍵詞：PFC2D;離散元法;數值模擬;結構性土

邊坡穩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生蠕變變形這一前期階段。因此可以得到提前預警預防發生重大事故。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。邊坡失穩之后直接進入劇滑階段，根據以往研究所知發生這種沒有前期變形積累的突然快速下滑說明邊坡失穩后其滑動面強度發生了快速的下降。根據這一特點和現有對滑坡的認識，一個合理的假設就是發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定性就會急劇下降的結論;劉邦安[6]通過實驗發現結構性土邊坡的靜力破壞具有均勻變形不明顯，表現出一定脆性破壞的特征。因此將土體結構性作為邊坡穩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展有重大意義。

一、數值分析方法

（一）數值模型

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）參數選取

PFC2D數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的選取達到很接近工程實際的程度，微觀參數的選取通常是在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。通過先前學者所進行實驗所得到在PFC中宏觀參數與微觀參數的實驗數據對比如下表。

二、模型建立

（一）建模

首先根據不同的顆粒屬性、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，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轉化為失穩狀態，并得到最終的邊坡失穩位移圖。

（二）結果及其分析

最終邊坡在失穩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，說明它在失穩之前尚未發生明顯的蠕變階段而是突然失穩，而從中、低結構性強度邊坡的位移云圖來看邊坡失穩前都不同程度的發生了一定的蠕變。上述結果表面土體的結構性強度確實會對邊坡失穩的突發性產生影響。

三、結論

以離散元數值模擬為基礎，對土體結構性強度對邊坡穩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，邊坡失穩突發性越高。

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

參考文獻：

[1]張維順. 云南省鎮雄縣趙家溝高速遠程堆積層滑坡形成機制研究[D].成都理工大學，2014.

[2]殷躍平，李濱，王文沛，等. 深圳“12·20”渣土場災難滑坡成災機理與巖土工程風險控制研究[J].Engineering，2016（ 2） ：176 - 216.

[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