楊彬　王瀟弘　吉鋒

摘要：冰水堆積體在西部地區(qū)廣泛存在，具有高度的非均勻性與非連續(xù)性。與一般均質(zhì)土體相比，冰水堆積體在力學(xué)行為上存在很大差異，而通常計算中也經(jīng)常將這一特征忽略，由此造成了較大誤差。以野外調(diào)查為基礎(chǔ)，運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對典型冰水堆積體邊坡處理后得到細(xì)觀物理模型，并導(dǎo)入FLAG3D中采用強(qiáng)度折減法計算其安全系數(shù)。計算結(jié)果表明，受塊石存在的影響，邊坡內(nèi)部的應(yīng)力場分布“異?！?，埋深對應(yīng)力集中有明顯的“放大效應(yīng)”，潛在滑動面呈現(xiàn)多級發(fā)展，具有顯著“繞石”特征。對比計算表明，冰水堆積體邊坡的安全系數(shù)較均質(zhì)邊坡有較大提高。

關(guān)鍵詞：冰水堆積體邊坡；數(shù)字圖像處理；強(qiáng)度折減法；安全系數(shù)

冰水堆積體是冰水消融時冰下徑流和冰水前緣水流的堆積體，是第四紀(jì)以來（大多屬于第四紀(jì)更新世早中期）逐漸形成的。其經(jīng)歷了較長時期的自然固結(jié)，存在不同程度的泥質(zhì)或鈣質(zhì)膠結(jié)，內(nèi)部塊石大小混雜，級配較為寬廣。土石混合物的研究正處于起步階段，雖然現(xiàn)有巖土體工程分類體系沒有對其作出解釋，但是在實際的工程中其引發(fā)的問題卻較為廣泛。本文所研究的冰水堆積體也屬于土石混合體，在細(xì)觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)研究中，可以借助土石混合體的研究成果幫助我們對冰水堆積體的破壞形態(tài)、破壞機(jī)制進(jìn)行細(xì)致深入的研究。關(guān)于冰水堆積體的物理力學(xué)性質(zhì)已有較多的研究，如馮俊德等對云南某鐵路冰磧土進(jìn)行了大型直剪試驗，認(rèn)識到原狀冰磧土具有一定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，重塑冰磧土強(qiáng)度會隨著含水率的增加而降低；范余敏等對雅瀘高速西沖特大橋22#墩冰水堆積體邊坡開展了研究，以大剪試驗為基礎(chǔ)，計算了不同工況下邊坡的穩(wěn)定性；袁廣祥等在研究川藏公路然烏-魯朗段冰水堆積體的過程中，首先分析了堆積體的成因，進(jìn)而論述了其結(jié)構(gòu)特征、力學(xué)特征，最后采用圓弧法對邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。

現(xiàn)階段計算冰水堆積體邊坡穩(wěn)定性大多是將整個邊坡視為均質(zhì)連續(xù)體，冰水堆積體為賦予一組等效物理力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而得出結(jié)論。然而，冰水堆積體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)非常特殊，尤其是內(nèi)部塊石，對整個邊坡穩(wěn)定性及破壞方式有著重要影響。

本文以西藏某地區(qū)野外調(diào)查資料為基礎(chǔ)，利用數(shù)字圖像處理技術(shù)及有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù)對冰水堆積體邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1研究區(qū)冰水堆積體概況

研究區(qū)位于西藏林芝地區(qū)，冰水堆積體分布非常廣泛，內(nèi)部塊石、土體分選性較差，磨圓程度也較差，大小混雜，粒徑大小懸殊。雖然冰水堆積體也屬于堆積體，但在強(qiáng)度特征上，冰水堆積體與一般松散堆積體差別很大，其形成于第四紀(jì)冰期，巖土體都經(jīng)過了長時期的壓實固結(jié)，有些還存在不同程度的膠結(jié)，使得冰水堆積體與一般堆積體相比呈現(xiàn)出諸多特點?，F(xiàn)場調(diào)查的某一冰水堆積體邊坡如圖1所示。

為了得到此冰水堆積體邊坡的粒度分布，并滿足統(tǒng)計分析的需求，使測量結(jié)果更符合實際情況，在邊坡的三個不同地點分別取樣，進(jìn)行顆粒篩分試驗，得到三個試樣的粒組頻率分布，見圖2-圖4。

從圖2-圖4可以看出，研究區(qū)冰水堆積體內(nèi)部土體和塊石粒徑分布具有不均勻性，各粒組占比差異較大。這反映了在整個冰水堆積體形成的過程中，冰水和冰融水受地形、氣候等因素的影響，其攜帶堆積下來的物質(zhì)出現(xiàn)空間上的分異，呈現(xiàn)局部某粒組富集或缺失，同時也表明冰水堆積體是一種高度非均質(zhì)的物質(zhì)。

2冰水堆積體邊坡模型建立

2.1數(shù)字圖像處理技術(shù)

數(shù)字圖像處理（Digital Image Processing）是通過計算機(jī)對圖像進(jìn)行去除噪聲、增強(qiáng)、復(fù)原、分割、提取特征等處理的方法和技術(shù)，近年來廣泛應(yīng)用于航空、材料、醫(yī)學(xué)及巖土工程等領(lǐng)域。在巖土工程領(lǐng)域，數(shù)字圖像處理技術(shù)也得到了很大的應(yīng)用發(fā)展。數(shù)字圖像在計算機(jī)中每個像素點對應(yīng)一個整數(shù)值，用以表示該點的亮度，即灰度。整個圖像由相應(yīng)的具有不同灰度值的像素點陣構(gòu)成，不同的灰度值分別代表了圖像所包含的不同信息，這些像素點對應(yīng)的各個離散數(shù)據(jù)成為下一步數(shù)字圖像處理的基礎(chǔ)。在野外獲取巖土體的斷面照片后，首先對圖像進(jìn)行灰度處理，然后利用MAT-LAB去除噪聲，并采用灰度拉伸、灰度值均衡化、自適應(yīng)閾值分割等方法增強(qiáng)圖像，最大程度消除外界各種不良因素（如光照、斷面平整度）的影響。

將去噪和增強(qiáng)后的灰度圖輸入到數(shù)字圖像處理系統(tǒng)并進(jìn)行相應(yīng)的二值化處理，這時就可以在新形成的圖像中呈現(xiàn)粒徑較大塊石的形態(tài)。

2.2模型的建立

巖土工程問題由定性到定量轉(zhuǎn)變的重要標(biāo)志就是物理模型的建立。不同于一般巖體和土體，冰水堆積體這種三元材料（土、石、接觸面）具有典型非均質(zhì)和非連續(xù)性的特征，常用的模型建立方法不能將這種差異表達(dá)出來，而借助數(shù)字圖像處理技術(shù)有助于問題的對比分析。圖5是圖1經(jīng)過數(shù)字圖像處理后的二值化結(jié)構(gòu)數(shù)字圖像。

鑒于資金和時間原因，本研究未編制專門的數(shù)字處理系統(tǒng)，而是利用上述軟件強(qiáng)大的圖片處理功能突出所需的關(guān)鍵信息，然后將二值化圖像導(dǎo)入COREL-DRAW，充分利用CORELDRAW的自由繪圖功能實現(xiàn)圖像關(guān)鍵信息的提取，即利用多義線對冰水堆積體中的礫石進(jìn)行任意形狀的逼近，以最大程度接近實際。

將獲得的線框模型在CAD中面域化，導(dǎo)人大型有限元程序ANSYS并劃分網(wǎng)格，最終生成FLAC3D可以。識別的文件格式。FLAC3D模型如圖6所示，網(wǎng)格劃分產(chǎn)生的節(jié)點總數(shù)為21 732個、單元總數(shù)為17 695個。

由圖6可以看出，邊坡中塊石呈現(xiàn)隨機(jī)分布的特征，與現(xiàn)場篩分試驗得到的結(jié)果相吻合，保證了模型的非均勻性。根據(jù)油新華等的研究成果，在土石交界面生成界面元（INTERFACE）可以模擬拉裂和滑移，保證模型的非連續(xù)性。

3冰水堆積體邊坡穩(wěn)定性分析

將模型的邊界條件設(shè)定為：底面邊界固定約束，左側(cè)邊界法向約束，其余為自由表面。為了減小邊界效應(yīng)對數(shù)值計算的影響，對模型左側(cè)邊界進(jìn)行了延拓，延拓部分用均質(zhì)土體代替。模型中塊石和土體的計算參數(shù)見表1。

3.1臨界失穩(wěn)狀態(tài)判據(jù)選擇

本次邊坡穩(wěn)定性計算采用整體強(qiáng)度折減法，即針對巖土工程中應(yīng)用最為廣泛的Mohr-Coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行計算，并將邊坡的安全系數(shù)定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)時，對其抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度。此外，邊坡臨界失穩(wěn)狀態(tài)目前有3種判據(jù)：①塑性區(qū)貫通；②計算不收斂；③位移突變。經(jīng)過分析可知，前兩種判據(jù)存在較多的主觀任意性，誤差較大，本文不予采用。此次計算巖土體本構(gòu)模型采用了Mohr-Coulomb理想彈塑性模型，因此當(dāng)邊坡進(jìn)入極限狀態(tài)時，必然是其中一部分巖土體材料相對于另外一部分發(fā)生無限制的滑移，隨著折減系數(shù)的增大，滑坡體內(nèi)的巖土體有明顯的位移增量，而穩(wěn)定區(qū)的位移增量幾乎為零。這樣，依據(jù)位移突變判據(jù)就能確定邊坡穩(wěn)定形態(tài)與折減系數(shù)的定量關(guān)系，通過方程擬合快速準(zhǔn)確地得到安全系數(shù)，且物理意義明確。位移突變判別時，選擇坡頂作為監(jiān)測點并分析位移一折減系數(shù)的關(guān)系曲線?？傻玫捷^合理的安全系數(shù)。因此，本文選擇邊坡坡頂上某些點的位移突變作為臨界失穩(wěn)的判斷依據(jù)。

3.2邊坡內(nèi)部應(yīng)力場特征

為了更好地研究冰水堆積體這種非均質(zhì)、非連續(xù)體與一般均質(zhì)土體的差別，為模型賦予一組等效物理力學(xué)參數(shù)，這樣就得到了一個均質(zhì)邊坡模型，其邊坡形態(tài)與非均質(zhì)模型一致。冰水堆積體邊坡和均質(zhì)邊坡在自重應(yīng)力作用下最大主應(yīng)力云圖見圖7、圖8。

由圖7、圖8可以看出，兩類邊坡最大主應(yīng)力云圖在形態(tài)上存在很大差異。均質(zhì)邊坡最大主應(yīng)力分布較為規(guī)律，埋深較小時與地面線近似平行，埋深較大時則有變?yōu)樗椒植嫉内厔荩罕逊e體邊坡因塊石的存在而使最大主應(yīng)力分布“異?！?，應(yīng)力等值線極不規(guī)則，塊石應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，應(yīng)力場的結(jié)構(gòu)效應(yīng)非常顯著，邊坡內(nèi)應(yīng)力的分布（尤其是應(yīng)力集中）基本受塊石的分布與形狀控制，而且埋深越大應(yīng)力集中越顯著。筆者認(rèn)為原因是塊石與土體的彈性模量懸殊，在自重荷載下，冰水堆積體內(nèi)部塊石有平移、轉(zhuǎn)動的趨勢，而塊石與土體彈性不匹配又造成變形差異，埋深越大自重應(yīng)力越大，對應(yīng)力異常造成一種“放大效應(yīng)”，最終在地質(zhì)歷史發(fā)展過程中，冰水堆積體邊坡經(jīng)過不斷的應(yīng)力調(diào)整形成現(xiàn)今的應(yīng)力場。冰水堆積體邊坡內(nèi)部這種獨特的細(xì)觀力學(xué)特征直接影響其宏觀變形機(jī)制、穩(wěn)定狀態(tài)。

3.3穩(wěn)定性分析

通過對兩類邊坡采用整體強(qiáng)度折減法計算，采用FLAC3D內(nèi)置的FISH語言，自行開發(fā)記錄工具，提取邊坡坡頂3個有代表性點的總位移，繪出折減系數(shù)與總位移的關(guān)系圖，見圖9。根據(jù)散點圖的特征，假定擬合曲線形式為雙曲線，且設(shè)總位移ζ=（b+cK）/（1+aK），其中：K為折減系數(shù)，a、b、c為待定系數(shù)。當(dāng)l+aK-0且b+cK≠0時，ζ-∞，邊坡產(chǎn)生失穩(wěn)滑動，從而K=-1/a，此時的折減系數(shù)即為邊坡的安全系數(shù)。利用MATLAB強(qiáng)大靈活的數(shù)據(jù)擬合和處理功能，將原散點圖擬合后就可以得到擬合曲線的相關(guān)參數(shù)，見表2。

從表2可以看出，擬合復(fù)相關(guān)系數(shù)（R1）均在0.95以上，表明雙曲線擬合效果好，可信度高。通過計算得到，冰水堆積體邊坡的安全系數(shù)F=2.721 6，均質(zhì)邊坡的安全系數(shù)F=2.132 8?？梢?，在考慮塊石存在后，計算得到的邊坡安全系數(shù)有了較大的提高（27.6%）。

由摩爾庫侖強(qiáng)度理論可知，巖土體破壞原因是某一面上的剪應(yīng)力達(dá)到了巖土體的剪切強(qiáng)度，此時，剪切面上必然發(fā)生較大的剪切應(yīng)變，因此可通過搜索最大剪應(yīng)變增量的位置確定邊坡滑動面?；谏鲜鏊悸罚贔LAC3D中繪出冰水堆積體邊坡和均質(zhì)邊坡折減系數(shù)分別為2.7和2.1時的剪切應(yīng)變增量云圖，可以看出，冰水堆積體邊坡的潛在滑動面呈現(xiàn)多級發(fā)展，貫穿帶表現(xiàn)出“欺軟怕硬”的特征，具有明顯的繞石現(xiàn)象，這與現(xiàn)場的推剪試驗現(xiàn)象（圖10）一致。而均質(zhì)邊坡中潛在滑動面則與經(jīng)典的極限平衡法的一般結(jié)論一致，呈圓弧滑動破壞。冰水堆積體邊坡這種多滑面、繞石特征增加了抗剪強(qiáng)度，從而提高了其穩(wěn)定性。

4結(jié)論

土石混合體在自然環(huán)境中廣泛存在，冰水堆積體作為土石混合體中的一種，隨著西南地區(qū)工程建設(shè)的不斷推進(jìn)，已越來越頻繁地涉及。本文以野外調(diào)查為基礎(chǔ)，利用FLAC3D對冰水堆積體邊坡穩(wěn)定性特征進(jìn)行了探討，得出以下結(jié)論：

（1）對野外冰水堆積體進(jìn)行三組顆粒篩分試驗，結(jié)果表明同一邊坡不同位置各粒組占比差異較大，反映了冰水堆積體形成過程中，冰水和冰融水受地形、氣候影響，所攜帶物質(zhì)出現(xiàn)空間分異，局部某粒組富集甚至缺失。

（2）冰水堆積體細(xì)觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性決定了其力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性。冰水堆積體邊坡塊石的存在使得最大主應(yīng)力等值線分布“異常”，邊坡內(nèi)應(yīng)力的分布（尤其是應(yīng)力集中）基本受塊石的分布與形狀控制，而且埋深越大應(yīng)力集中越顯著，呈現(xiàn)“放大效應(yīng)”。

（3）采用邊坡整體強(qiáng)度折減法，以位移突變作為邊坡臨界失穩(wěn)判據(jù)，通過擬合曲線計算確定了兩類邊坡的安全系數(shù)，冰水堆積體邊坡安全系數(shù)較均質(zhì)土邊坡有較大提高（27.6%）。從剪切應(yīng)變增量云圖可以看出，冰水堆積體邊坡的潛在滑動面呈現(xiàn)多級發(fā)展，貫穿帶表現(xiàn)出“欺軟怕硬”的特征，具有明顯的繞石現(xiàn)象。這與現(xiàn)場的推剪試驗現(xiàn)象一致，而這恰恰提高了冰水堆積體邊坡的穩(wěn)定性。