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。