付 雪，石 磊，林建國，繆云騰

(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅 天水 741020)

數(shù)值方法進(jìn)行邊坡的應(yīng)力分析始于上個世紀(jì)60年代，其常用的數(shù)值模擬方法有：有限元法、有限元差分法、邊界元法等。自上世紀(jì)70年代以來，有限元法已經(jīng)廣泛使用在土體的動力變化分析中[1]。拉格朗日元在邊坡變形問題中普遍被采用[2]，美國Itasca公司推出的FLAC3D也被運(yùn)用于邊坡動力變化分析中[3]。本文采用FLAC3D對某土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與已發(fā)生變形對比，分析其變形特征及發(fā)展趨勢。

1 邊坡基本概況

該土質(zhì)邊坡為人工削坡而成(圖1)，平面形態(tài)呈“梯形”，坡頂寬52.5 m、底寬81.4 m，西側(cè)坡高29～38 m、東側(cè)38～40 m；剖面形態(tài)呈“折線形”，坡度46°～54°，呈下陡上緩的特點(diǎn)。

圖1 土質(zhì)邊坡區(qū)域地理圖

邊坡出露的地層主要有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、粉質(zhì)粘土及沖洪積礫卵石。

1)第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土：分布于斜坡上部，海拔1 543～1 545 m，厚度12～28 m。主要為粉土，淺黃色，質(zhì)地均一，土體結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，具較強(qiáng)濕陷性。

2)粉質(zhì)粘土：分布于斜坡中部，海拔1 515～1 518 m之間，厚度3～4 m。主要為黃土狀土，夾薄層細(xì)砂層，具水平層理，較密實(shí)，干燥狀態(tài)下較為堅(jiān)硬，具弱濕陷性。

3)沖洪積礫卵石層：分布于斜坡下部，出露厚度>10m?；摇嗷疑卫饨菭?，分選性較好。粒徑2～5 cm的占35%，5～8 cm的占25%，8 cm以上的占20%，可見最大粒徑46 cm；泥砂充填物占20%，密實(shí)、干燥—稍濕。

2 計(jì)算模型建立

對同一地層中巖土體的性質(zhì)作均一化假設(shè)，本次數(shù)值模擬計(jì)算采用FLAC3D軟件進(jìn)行。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，確定本次計(jì)算邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)

本次計(jì)算選取邊坡中部的兩個典型剖面進(jìn)行計(jì)算(圖2、圖3)，從而分析該邊坡整體的動力變化[4]。

圖2 ①號剖面圖 圖3 ②號剖面

模型1(圖4)長×寬×高=40.5×1.0×42.6 m，模型2(圖5)長×寬×高=41.2×1.0×42.6 m；計(jì)算條件為天然工況，本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，初始應(yīng)力場按自重應(yīng)力場考慮，計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率滿足10-5的求解要求，計(jì)算時(shí)步上限為30 000 steps。模型的邊界條件為底部固定約束，側(cè)面及后面限制水平移動，頂面為自由面，采用三角形網(wǎng)格對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型1劃分后共有9 016個單元，2 636個節(jié)點(diǎn)，模型2劃分后共有6 883個單元，2 213個節(jié)點(diǎn)。

圖4 ①號剖面區(qū)域建模圖 圖5 ②號剖面區(qū)域建模圖

3 計(jì)算方案與模擬結(jié)果

為了更好的分析計(jì)算過程中邊坡的變形破壞特征，沿坡面分別設(shè)置8處監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測該點(diǎn)處的位移狀況。采用flac3d求解安全系數(shù)法(強(qiáng)度折減法)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[5]，經(jīng)分析計(jì)算結(jié)果，天然工況下剖面1安全系數(shù)1.13、剖面2安全系數(shù)為1.22。

由剪應(yīng)變增量云圖可知，剖面1存在一潛在滑動面，從坡腳一直延伸到坡頂，尤其是坡腳處剪應(yīng)變增量值相對最大，說明該段邊坡的失穩(wěn)最先是從坡腳處的剪切破壞開始的，剖面2與剖面1則相反，坡頂?shù)募魬?yīng)變增量值相對最大，最先失穩(wěn)的是從坡頂開始。

通過FLAC3D計(jì)算土質(zhì)邊坡的剪應(yīng)力變化，初步了解邊坡變形的初始部位，進(jìn)而模擬兩處斜坡段的塑性變量(見圖8、圖9)。

圖6 模型1剪應(yīng)變增量云圖 圖7 模型2剪應(yīng)變增量云圖

圖8 模型1塑性區(qū)圖 圖9 模型2塑性區(qū)圖

由圖8、圖9可知，在折減系數(shù)達(dá)到1.13、1.22時(shí)，邊坡恰好處于極限平衡狀態(tài)，坡體內(nèi)部塑性區(qū)從坡頂?shù)狡履_完全貫通，形成完整的滑動面，邊坡開始發(fā)生滑動破壞，此時(shí)，各個監(jiān)測點(diǎn)處的x方向位移均呈先快速增大后逐漸趨于穩(wěn)定的變化特征，且整體變形量也較小，說明邊坡處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞，這和數(shù)值計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)為1.13、1.22一致。

4 結(jié)語

(1)在自然工況下，模型1坡腳處的位移遠(yuǎn)大于坡體內(nèi)部的位移，坡腳最先發(fā)生變形，且變形量也較大；模型2坡體上部的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坡體其它部分，這與邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)制是一致的。

(2)在實(shí)際調(diào)查中，剖面1沒有發(fā)生明顯的滑動；剖面2左側(cè)，發(fā)生黃土淺層滑坡，滑體中部厚3～5 m，根據(jù)滑坡的運(yùn)動形式為推移式[6]，坡體上部先發(fā)生變形推動下部滑動，這與模型2模擬該段邊坡的失穩(wěn)最先是從坡頂處的剪切破壞開始一致。

(3)本次模擬重點(diǎn)在分析土質(zhì)邊坡在自然工況下的穩(wěn)定性，選取的2個剖面坡度為45.5°、47.6°，在模擬計(jì)算穩(wěn)定性為1.13、1.22，其結(jié)果是在不考慮人為及其它因素影響的情況下，土質(zhì)邊坡基本穩(wěn)定，但在實(shí)際調(diào)查過程中，剖面2左側(cè)發(fā)生淺層黃土滑坡，說明在模擬計(jì)算結(jié)果趨于大。綜合人為，為使土質(zhì)邊坡在自然條件下穩(wěn)定，邊坡坡度應(yīng)<45°。