土質邊坡滑坡數值模擬研究

黃雪薇 覃佳 謝東旭

摘要：近幾十年以來，隨著經濟發展，國家投入資金到基礎建設，形成了大量人工土質邊坡，同時也引發了一系列安全問題。特別是由降雨造成的路堤破壞事故偏多，受降雨影響，路基沖刷嚴重、邊坡填料大量流失、土體產生溜塌[1]。本項目基于離散元理論，運用PFC2D數值模擬軟件，在前人研究基礎上，從邊坡滑坡實際過程出發，模擬土質邊坡在滑坡過程中的破壞特性，探析邊坡破壞過程中變化規律。

關鍵詞：土質邊坡;滑坡;PFC數值模擬

一、引言

隨著我國人口的上升，導致基礎建設行業的力度加大，就會產生許多土質場地。而許多的巖土邊坡工程的問題也隨之出現。邊坡作為在建筑行業的危險源，需要我們加大重視力度。而一旦發生邊坡失穩就會造成重大事故，造成人民生命財產的損失[2]。而常見的邊坡破壞類型有松弛張裂、蠕動變形、坍塌、滑坡[3]。

因此，對土質邊坡在滑坡過程中的細觀耦合機制研究尤為重要，可以準確判斷邊坡發生失穩的可能性從而防患于未然，對于建設和民生方面都有著重要的意義[4]。

我們必須了解土的各種力學參數，本文對土進行力學實驗和PFC數值模擬研究，從而了解土的物理力學特性以及探究土體顆粒細觀破壞機制，從而對土質邊坡的性質提供理論依據。

二、力學實驗概況

粘土在我們生活隨處可見，我們可以通過對直剪試驗的基本原理、基本操作方法和抗剪強度的基本理論的了解，進行粘土直剪實驗得到粘土物理力學參數，并做出相關分析。

首先對選取粘土進行篩分，然后將土樣分為4組，其組別為z-1、z-2、z-3、z-4。為了研究不同的法相應力對粘土特性界面的影響，在剪切的時候

分別設置50KPa、100Kpa、200Kpa、400Kpa的法相應力;在剪切時設定單調直剪切速率為0.8mm/min，剪切量為9mm。實驗主要研究粘土的物理力學參數。

2.1實驗前期準備

本課題的研究目的是重慶地區的粘土力學性質，因此，實驗的材料來自于重慶科技學院東門邊坡的粘土，先將取回的土樣進行干燥并用粉碎機進行粉碎（具體見圖1），將粉碎的土樣用50目的篩網進行過濾，得到最大孔徑為0.28mm的土樣。

2.2實驗結果

本項實驗主要運用直剪儀測了四組不同壓力強度的粘土，其實驗結果如下：

三、二維剪切實驗

3.1二維剪切模型的建立

通過標定獲得參數，并在50Kpa的靜壓下進行二維剪切模擬。

3.2直剪實驗結果驗證

以圍壓為50Kpa下的應力應變為比較，我們可以看出，通過對粘土進行PFC數值模擬直剪實驗擬得出的結果與室內力學實驗下的結果變化規律較為一致，但是數值模擬的方式在實驗結果的數據變化上表現的更為細致。

四、PFC滑坡數值模擬研究

4.1計算參數的選取

本次模型的邊坡為自行設計邊坡輪廓而來，而邊坡的宏觀力學參數主要有黏聚力和內摩擦角等[5]。而在我們進行數值模擬時候需要輸入微觀力學參數，為的能夠得到表現宏觀參數的微觀參數，在模擬之前我們進行了二維直剪模擬實驗，并通過一系列的直剪模擬實驗與前面力學實驗得到的宏觀特征相應的微觀力學參數[6]。

4.2計算模型的建立及模擬過程

本次模擬主要是在二維平面下研究。在邊坡中我們設置顆粒間的接觸為粘性接觸來模擬粘土，通過cycle循環使其達到充滿整個墻體，進行顆粒預壓。生成的未加筋邊坡模型。在未加筋的情況下，預壓結束之后，通過對邊坡賦值各種參數，然后刪除斜坡面墻體，設置重力進行計算，使邊坡破壞。在模擬時通過PFC程序中的displacement_x命令，顯示顆粒在邊坡破壞過程中的位移變化，從而對邊坡破壞變化過程進行對比。

4.3計算結果與分析

通過圖3的邊坡坡面破壞過程我們可以清楚的認識到粘土邊坡破壞過程顆粒的位移情況，在t=0時我們可以看到邊坡有部分顆粒就快要發生位移，這時說明坡體內部不穩定，隨著計算的運行更多顆粒開始下滑，在t=20min時候開始大面積滑動。這個過程一直到t=50min坡體才不會滑動，達到穩定，這時坡體已近發生嚴重變形。

粘土邊坡是由許多細小顆粒組成的離散結構體，屬于多孔介質。由上面的邊坡破壞顆粒位移的過程我們可以知道：在坡體不穩定的情況下，顆粒會發生移動，粒徑小顆粒會填補空襲，這時空襲就會減小，顆粒間強粘結受擠壓作用變形，逐漸轉化為強度弱的粘結，發生粘結斷裂。我們從總體來看可以發現坡面剛發生破壞時，坡體顆粒發生重新排列或滑動，滑動最先出現在坡腳，坡腳的顆粒最先發生位移并逐漸向上面延伸，顆粒逐漸向下滑動邊坡開始破壞，直到坡體再次達到穩定邊坡破壞才結束。

運用PFC程序中的測量圓命令可以得到邊坡破壞過程中其內部應力應變的變化，以其坡頂、坡中、坡腳三個部位來設置測量圓（具體見圖4），我們可以知道，三個測量點的應力先是有短暫的應力上升，達到一定峰值后才逐漸減小，最后逐漸平緩。坡體內部的應力先上升然后下降最后應力平緩的過程，其實際是坡體變形過程中應力重新分布產生的。這是因為我們在坡體運行前通過參數的改變使坡體進入不穩定的狀態，程序運行時就會導致應力重新分布。從圖4中我們可以看到坡頂的應力最先到達峰值，然后是坡中，最后是坡腳。這說明了這類坡體的破壞最先發生在坡頂部位。這與圖3邊坡破壞過程的表現是一致的。

4.4小結

邊坡的破壞過程是一個逐漸變化的過程。坡體在不穩定的情況下發生變形破壞，這時邊坡應力會局部增大，這是因為破壞過程中顆粒的應力不斷的聚集，當坡體不可能承受這個應力時，坡體發生邊坡破壞或者在重力作用下下滑。

（基金項目：重慶科技學院碩士研究生創新計劃項目-YKJCX1920725）

參考文獻

[1]黃世光. 準朔鐵路路基邊坡施工期水力侵蝕規律研究[D].北京交通大學，2012.

[2]潘昌樹，敬小非，秦梨，謝丹，龔秀蘭，張小順.加筋邊坡與加筋材料研究現狀[J].中國地質災害與防治學報，2018，29（1）：135-142

[3]敬小非，潘昌樹，謝丹，等.尾礦庫潰壩泥石流相似模擬試驗臺設計及驗證[J].中國安全生產科學技術，2017，13（7）：24-29.

[4]邵琪琳.加筋土界面力學特性試驗及顆粒流數值模擬研究[D].青島：青島理工大學，2018.

[5]萬江，溫泉，昝世明.邊坡失穩破壞的顆粒流模擬[J].四川建筑，2017，37（1）：111-113+116.

[6]王宇，李曉，王聲星，侯文詩.滑坡漸進破壞運動過程的顆粒流仿真模擬[J].長江科學院院報，2012，29（12）：46-52.

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