劉洪波，李水江，葉永康，梁崇旭

（1、廣州環(huán)投增城環(huán)保能源有限公司 廣州511335；2、廣州環(huán)保投資集團(tuán)有限公司 廣州510330；3、上海大學(xué)土木工程系 上海200444）

0 引言

我國是一個(gè)地質(zhì)環(huán)境脆弱、地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的國家，而滑坡是眾多地質(zhì)災(zāi)害中發(fā)生最為頻繁的類型，2018年全國共發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害2 966起，滑坡就占據(jù)了1 631起［1］。

滑波是坡體因多種因素耦合變形，最終被某些誘發(fā)因素（土體抗剪強(qiáng)度減小、降雨入滲、土壓力增大等）激發(fā)失穩(wěn)、產(chǎn)生滑動(dòng)的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象。目前在工程上對(duì)滑坡的穩(wěn)定性分析主要采用極限平衡法計(jì)算穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行判定，但極限平衡條分法在計(jì)算原理上對(duì)滑坡體進(jìn)行了諸多簡(jiǎn)化，將滑坡巖土體假定為剛性，難以反映滑體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變特征，并且對(duì)滑坡剪切帶的軌跡進(jìn)行人為的規(guī)定，難以反映滑動(dòng)面（剪切帶）觸發(fā)及擴(kuò)展機(jī)制，邊坡漸進(jìn)性破壞過程難以深入研究［2］?；掠?jì)算也可采用數(shù)值模擬方法，其主要優(yōu)勢(shì)在于，能夠分析滑坡變形破壞過程中的滑體運(yùn)動(dòng)特征及應(yīng)力－應(yīng)變分布特征，確定滑坡變形破壞機(jī)制，并可以求解較為符合真實(shí)情況的穩(wěn)定系數(shù)，提高效率。

WOLF等人［3］在拉伸荷載和離心機(jī)增加重力作用下，使用砂土進(jìn)行了離心模型試驗(yàn)，研究了不同應(yīng)力水平條件對(duì)剪切帶形成、剪切帶厚度以及破壞面與最小應(yīng)力夾角等的影響。陳強(qiáng)等人［4］通過離心試驗(yàn)，研究了多級(jí)平臺(tái)砂土邊坡在不同含水率下的邊坡穩(wěn)定性差異，并對(duì)邊坡破壞的機(jī)理進(jìn)行總結(jié)等。劉君等人［5］探索了數(shù)字圖像技術(shù)在大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中應(yīng)用的可能性，筆者等人使用細(xì)粉砂制作邊坡模型，輸入頻率10 Hz的水平地震波，采集試驗(yàn)全過程的邊坡側(cè)面圖像。RECHENMACHER等人［6-7］采用平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)、三軸試驗(yàn)和數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量了試樣的局部位移特征，量化了剪切帶體應(yīng)變、剪切帶傾角和厚度等物理特性，并分析了不同顆粒直徑的砂土試樣得到的試驗(yàn)結(jié)果差異?？琢恋热耍?］基于數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)和直剪試驗(yàn)，通過改造直剪儀開發(fā)了一種砂土細(xì)觀測(cè)量系統(tǒng)，使用圖像處理軟件計(jì)算試驗(yàn)過程采集的圖像，得到了試驗(yàn)不同時(shí)刻任意測(cè)點(diǎn)的位移場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)與顆粒方向角等數(shù)據(jù)。薛杰等人［9］使用改進(jìn)的三軸試驗(yàn)數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)，選取福建標(biāo)準(zhǔn)砂在不同的圍壓條件下進(jìn)行三軸試驗(yàn)，分析了不同工況的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，通過試驗(yàn)全過程的應(yīng)變場(chǎng)的變化特征研究了剪切帶的觸發(fā)及擴(kuò)展情況。

現(xiàn)有文獻(xiàn)很多集中于數(shù)值模擬研究滑坡內(nèi)部剪切帶、變形破壞和穩(wěn)定性的變化。宋浩燃等人［10］以某隧道棄渣邊坡為研究對(duì)象，利用三維離散元軟件PFC3D對(duì)棄渣邊坡變形至滑動(dòng)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其變形過程，結(jié)果表明邊坡的變形破壞主要集中在坡體表層，滑動(dòng)的規(guī)模受棄渣邊坡角度影響；李巧學(xué)等人［11］運(yùn)用三維離散元程序，對(duì)已失穩(wěn)邊坡還原地質(zhì)體并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算分析，闡明巖質(zhì)邊坡在失穩(wěn)破壞過程中速度和位移的變化規(guī)律；徐光霽等人［12］采用離散單元法，研究黏性土邊坡的安全系數(shù)和失穩(wěn)過程；黃達(dá)等人［13］進(jìn)一步探明軟硬互層反傾邊坡的傾倒變形機(jī)制，融合離心模型試驗(yàn)與UDEC模擬，研究此類邊坡的破壞模式與影響因素，并通過點(diǎn)對(duì)分析，討論了變形的力學(xué)機(jī)制，在巖層內(nèi)預(yù)置隨機(jī)裂隙，獲得了破裂面的演化規(guī)律；曾紅艷等人［14］利用GeoStudio有限元軟件，探究降雨入滲引起的膨脹土邊坡變形破壞機(jī)理和在不同豎向植筋帶長度、設(shè)置間距等影響因素下膨脹土邊坡的變形破壞特征；陳觀明［15］通過模擬分析順層巖質(zhì)邊坡應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及剪切區(qū)分布情況，研究了順層巖質(zhì)邊坡的滑坡機(jī)理；毛廣志等人［16］基于FLAC3D開展路塹邊坡楔形體破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究；楊文琦等人［17］在傳統(tǒng)剩余滑坡推力法中引入膨脹力項(xiàng)，得出了適用于膨脹土邊坡的滑坡穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算公式，并通過離心試驗(yàn)和模擬驗(yàn)證了該計(jì)算公式；左健揚(yáng)等人［18］基于Petrel軟件實(shí)現(xiàn)的三維地質(zhì)模型，提出了一種考慮整體滑動(dòng)的三維極限平衡新方法，并通過經(jīng)典算例的驗(yàn)證，證實(shí)該法的可行性和實(shí)用性；胡謝飛等人［19］將巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值區(qū)間數(shù)學(xué)與有限元方法結(jié)合起來，采用區(qū)間有限元法對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行不確定分析，編制區(qū)間有限元程序，結(jié)果表明重度、粘聚力及內(nèi)摩擦角區(qū)間對(duì)安全系數(shù)區(qū)間的影響較大；HU等人［20］通過在重力增加過程中向摩擦角添加校正因子，開發(fā)了可以消除GIM中誤差的改進(jìn)重力增加方法（MGIM）。通過將GIM，剪切強(qiáng)度折減法（SSR）和MGIM應(yīng)用于不同尺寸下的均質(zhì)邊坡模型，對(duì)MGIM進(jìn)行了比較研究，結(jié)果表明MGIM能較好地反映土坡土工離心模型試驗(yàn)的變形破壞特征；CHEN等人［21］提出了一種基于歐拉-拉格朗日耦合（CEL）數(shù)值策略和基于能量的準(zhǔn)則的邊坡穩(wěn)定性分析方法，對(duì)于軟帶較薄的邊坡，本方法可以獲得局部破壞和整體破壞的可靠結(jié)果；朱大勇等人［22］根據(jù)最優(yōu)控制理論提出了邊坡臨界滑動(dòng)場(chǎng)的概念，并提出了模擬臨界滑動(dòng)場(chǎng)的數(shù)值方法，算例表明臨界滑動(dòng)場(chǎng)中的臨界滑動(dòng)面是理論解的數(shù)值逼近。目前研究成果主要集中在邊坡的數(shù)值模擬，未能和實(shí)際試驗(yàn)對(duì)照研究，試驗(yàn)與模擬未能有機(jī)統(tǒng)一，缺乏一定的實(shí)際意義，對(duì)于邊坡的失穩(wěn)破壞只起到輔助說明的作用，

本文采用DIC圖像分析技術(shù)與室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)合，分析邊坡土體變形和剪切帶形成機(jī)制。同時(shí)基于有限差分軟件FLAC3D，對(duì)邊坡漸進(jìn)性破壞全過程下的內(nèi)部剪切帶、變形破壞機(jī)制以及穩(wěn)定性的變化進(jìn)行研究。最后結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)邊坡失穩(wěn)破壞的機(jī)理進(jìn)行研究。

1 室內(nèi)試驗(yàn)和DIC分析

1.1 室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

砂土邊坡模型是由福建標(biāo)準(zhǔn)砂制備，按照5%的含水率將砂土和水用攪拌機(jī)攪拌均勻，采用臺(tái)階式鋪填方法，雨落法分層刮毛填筑，按照設(shè)計(jì)位置預(yù)埋傳感器，如圖1所示，逐層夯實(shí)保持模型密實(shí)度均勻。

圖1 模型尺寸示意圖Fig.1 Schematic of Test Model（mm）

模型試驗(yàn)使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)CTM進(jìn)行加載，加載速率為4 N/s，并通過條形加載板進(jìn)行力的加載，加載板長為縱向長為500 mm，橫截面寬為100 mm，厚度40 mm。

模型尺寸為600 mm×350 mm×290 mm，坡腳角度為40°，邊坡下方基層厚度100 mm，邊坡高度250 mm，坡面長度為200 mm。

1.2 DIC測(cè)量系統(tǒng)

DIC圖像采集系統(tǒng)主要由圖像采集設(shè)備、光源和計(jì)算機(jī)組成，如圖2所示。圖像采集設(shè)備常用CCD相機(jī)或者單反相機(jī)，負(fù)責(zé)采集試驗(yàn)過程中的視頻或者圖片。攝像補(bǔ)光燈給試樣表面提供均勻的光照。計(jì)算機(jī)編程處理采集的圖像，進(jìn)行相關(guān)計(jì)算以得到試樣的變形信息。本研究采用自主編制的MATLAB程序進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算。

圖2 DIC測(cè)量系統(tǒng)Fig.2 Measure System of DIC

1.3 坡頂荷載-沉降曲線

試驗(yàn)使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載。加載速度設(shè)定為4 N/s，直至砂土邊坡模型破壞。萬能材料試驗(yàn)機(jī)可以自動(dòng)記錄試驗(yàn)過程中坡頂荷載P、坡頂位移數(shù)據(jù)，位移以豎直向下為正。40°坡角砂土邊坡P-s曲線如圖3所示。

圖3 40°坡角砂土邊坡P-s曲線Fig.3 P-s Curve of 40°Sand Slope

P-s曲線變化分為2個(gè)階段，第一階段，伴隨荷載增大，坡頂沉降接近線性增大，坡頂砂土處于整體壓密狀態(tài)，還未產(chǎn)生剪切破壞。第二階段，沉降繼續(xù)增大，豎向荷載反而下降，此時(shí)砂土邊坡發(fā)生破壞失穩(wěn)，剪切帶內(nèi)土體顆粒會(huì)沿著滑動(dòng)面開始向下滑動(dòng)，邊坡失去承載能力。40°坡角砂土邊坡極限承載力約為217 kPa。

1.4 邊坡位移云圖分析

將試驗(yàn)過程不同時(shí)刻的照片與加載初始時(shí)刻的照片進(jìn)行MATLAB計(jì)算。T是加載初始時(shí)刻至邊坡失穩(wěn)破壞（邊坡達(dá)到極限承載力）的總時(shí)間，水平位移以向右為正，豎向位移以向下為正。

由圖4可知，加載初期，水平位移較小，主要出現(xiàn)在加載板右側(cè)土體的淺層區(qū)域。隨著加載持續(xù)，顆粒之間位置調(diào)整、應(yīng)力向下傳遞，土體受影響的范圍向右下方擴(kuò)大，加載板右側(cè)的土體向臨坡面運(yùn)動(dòng)；加載板左側(cè)出現(xiàn)較小向左的水平位移。破壞時(shí)刻，水平位移最大值出現(xiàn)在上部區(qū)域，并且由坡頂至坡底，水平位移逐漸減小，與模擬結(jié)果相類似。結(jié)合圖3豎向荷載P-s沉降曲線），砂土邊坡的破壞具有較明顯的突發(fā)性，邊坡出現(xiàn)由坡頂貫通至坡趾上方的的滑動(dòng)面，滑動(dòng)面上部接近圓弧狀，下部水平呈直線型。

圖4 基于DIC技術(shù)40°坡角砂土邊坡水平、豎向位移云圖Fig.4 Horizontal and Vertical Displacement Diagram of 40°Sand Slope during Loading Failure Based on DIC Technology（mm）

如圖4所示，加載初期，豎向位移主要出現(xiàn)在加載板下方，說明豎向荷載較小時(shí)，承壓板下方土體表現(xiàn)為豎向的壓密過程。隨著加載持續(xù)，承壓板下方土體豎向位移增大且向下發(fā)展，應(yīng)力通過土體顆粒間向下傳遞。加載板中軸線以下豎向位移從上至下逐漸減小，應(yīng)力傳遞逐漸減弱，影響范圍逐漸擴(kuò)大。由豎向位移云圖4?可知，豎直方向受影響的土體范圍較大，接近于模型箱的邊界。

1.5 邊坡矢量位移云圖分析

如圖5所示，矢量位移圖可以有效地觀察到邊坡受載以后變形、破壞的過程。加載板下方土體產(chǎn)生沉降，并向兩側(cè)產(chǎn)生斜向下的運(yùn)動(dòng)。因?yàn)樽髠?cè)模型箱左邊界受限的原因，土體主要向右側(cè)臨坡面運(yùn)動(dòng)，模擬左側(cè)土體位移太小，位移場(chǎng)走勢(shì)顯示不是很明顯，可能是受到左側(cè)邊界約束條件的影響；加載板右側(cè)較淺的土層產(chǎn)生較小的向上的豎直位移，引起一定的坡面隆起，隨著加載持續(xù)，豎向荷載越來越大，應(yīng)力通過粒鏈向下傳遞，但傳遞逐漸減弱，土體受影響的范圍持續(xù)增大。加載板右側(cè)淺層土體產(chǎn)生角度（與水平線的夾角）較大的斜向右下方的位移，土體位置越深，角度越小，而臨坡面的土體是以較小的角度向右上方運(yùn)動(dòng)。最終在破壞時(shí)刻，形成上部圓弧，下部接近水平的滑動(dòng)面，邊坡完全失穩(wěn)破壞。

圖5 基于DIC技術(shù)40°坡角砂土邊坡加載破壞矢量位移Fig.5 Vetor Displacement Diagram of 40°Sand Slope during Loading Failure Based on DIC Technology

1.6 邊坡剪應(yīng)變?cè)茍D分析

邊坡在達(dá)到極限承載力后會(huì)失穩(wěn)發(fā)生破壞，臨坡面土體會(huì)沿著某一斷面（即滑動(dòng)面）突然滑動(dòng)，這種斷面稱之為剪切帶，而剪切帶的形成往往伴隨著應(yīng)變局部化現(xiàn)象的出現(xiàn)。40°坡角砂土邊坡加載破壞時(shí)刻剪應(yīng)變?cè)茍D如圖6所示，橫縱坐標(biāo)為模型實(shí)際尺寸。從剪應(yīng)變?cè)茍D可以更直觀的觀察到剪切帶貫通形成圓弧滑動(dòng)面的過程。

由圖6可知，加載板兩側(cè)及坡頂淺層區(qū)域出現(xiàn)較小的剪應(yīng)變。隨著加載的持續(xù)，出現(xiàn)不均勻應(yīng)變的區(qū)域向土體深處延伸，加載板兩側(cè)出現(xiàn)了明顯的剪切變形，土層上部加載板兩側(cè)的剪應(yīng)變有連通在一起形成連續(xù)剪切面的趨勢(shì)，此時(shí)土體內(nèi)正處于剪切帶的初期形成階段。破壞時(shí)刻，DIC試驗(yàn)中加載板兩側(cè)形成2條剪切帶在坡中位置連接在一起，形成1條從坡頂貫通至坡腳的剪切帶。同時(shí)，在剪切帶上剪應(yīng)變基本為正值，剪應(yīng)變大小差異較大，分析其原因，可能是剪切帶上砂顆粒之間摩擦發(fā)生位置重構(gòu)，砂顆粒間孔隙變大，局部位置砂土顆粒發(fā)生明顯的擴(kuò)張，剪應(yīng)變較大。

圖6 基于DIC技術(shù)40°坡角砂土邊坡加載破壞剪應(yīng)變?cè)茍DFig.6 Strain Diagram of 40°Sand Slope during Loading Failure Based on Dic technology

坡體上部局部位置剪切帶傾角約為115°，接近坡體下部的局部位置二剪切帶傾角約為150°，剪切帶與水平線的夾角從上至下逐漸增大。并且發(fā)現(xiàn)本次試驗(yàn)40°坡角砂土邊坡剪切帶厚度約為3～5 mm（6～10倍平均粒徑）。

1.7 邊坡土體土壓力分析

由圖7可知，6個(gè)測(cè)點(diǎn)土壓力變化曲線具有相似的規(guī)律。在土體破壞失穩(wěn)前經(jīng)歷緩慢增大、快速增大2個(gè)階段。在土體失穩(wěn)以后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土壓力急速下降至某一穩(wěn)定值。2#、5#、8#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于加載板中線位置，該位置土壓力從坡頂至坡底隨著深度的增加越來越小。4#、5#、6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于邊坡中部，5#監(jiān)測(cè)點(diǎn)在加載板中線位置，此處土壓力最大，兩側(cè)土壓力較小，其中，在土壓力值穩(wěn)定以后更接近臨坡面的6#測(cè)點(diǎn)數(shù)值最小。這是因?yàn)榇颂幫馏w變形較大，土壓力發(fā)生了卸載。

圖7 試驗(yàn)中40°坡角砂土邊坡不同測(cè)點(diǎn)土壓力時(shí)程曲線Fig.7 Pressure Time History Curve of 40°Sand Slope in Tests

2 有限元數(shù)值模擬

2.1 FLAC3D模型

基于有限差分軟件FLAC3D建立砂土邊坡三維模型。共創(chuàng)建了25 875個(gè)實(shí)體單元，28 704個(gè)節(jié)點(diǎn)，計(jì)算模型示意圖如圖8所示，模型相關(guān)參數(shù)如下：砂土層，密度為1.74 g/cm3，重度為18.0 N/m3，體積模量為20 MPa，粘聚力為1 kPa，內(nèi)摩擦角為31.2°。

圖8 邊坡計(jì)算模型Fig.8 Calculation Model of Slope

模型底部邊界固定X、Y、Z方向速度約束；前后邊界固定X方向速度約束；兩側(cè)邊界固定Y方向速度約束；地表自由。

2.2 邊坡位移云圖分析

根據(jù)圖9?超荷載法加載邊坡破壞時(shí)的水平位移云圖，可以看出水平位移最大值區(qū)域集中在上部臨坡面，邊坡表面發(fā)生一定的隆起，并且與加載板之間還存在一定厚度的土體，可能是由于與加載板接觸的土體由于摩擦力和受荷密實(shí)的約束，從而將應(yīng)力傳遞給與加載板間接接觸的下部土體，從而水平位移最大值區(qū)域發(fā)生在受荷面下部一定距離處，并且由坡頂至坡底，水平位移逐漸減小。

根據(jù)圖9?超荷載法加載邊坡破壞時(shí)的豎向位移云圖，可以看出邊坡破壞時(shí)，靠近加載板下方的土體豎向位移最大，并不斷向右下方發(fā)展，通過應(yīng)力鏈將應(yīng)力進(jìn)行擴(kuò)散，由于坡面沒有邊界約束，發(fā)生應(yīng)力卸載，邊坡中上表面局部發(fā)生一定向上的豎向位移，從而表現(xiàn)出一定的隆起現(xiàn)象。

圖9 基于FLAC3D數(shù)值模擬40°坡角砂土邊坡水平、豎向位移云圖Fig.9 Horizontal and Vertical Displacement Diagram of 40°Sand Slope during Loading Failure in FLAC3D

2.3 邊坡矢量位移云圖分析

如圖10所示，整體矢量位移的趨勢(shì)與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相似（見圖5）。位移最大值區(qū)域集中在加載板下方，并向兩側(cè)產(chǎn)生斜向下的運(yùn)動(dòng)，有所不同的是模擬中左側(cè)邊界土體的位移較小，可能是受到左側(cè)邊界約束的結(jié)果，邊界效應(yīng)較大。位移場(chǎng)走勢(shì)延深度方向和右側(cè)臨坡面方向，與豎直方向呈較小的夾角，坡面土體產(chǎn)生一定隆起，但不明顯，這是由于土體粘聚力的影響。根據(jù)圖5與圖10的對(duì)比分析，室內(nèi)模型箱試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的結(jié)果類似。

圖10 40°坡角砂土邊坡加載破壞矢量位移Fig.10 Vector Displacement of 40°Sand Slope during Loading Failure

2.4 邊坡剪應(yīng)變?cè)茍D分析

如圖11所示，邊坡模型整體剪應(yīng)變區(qū)域和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果（見圖6）相似，兩者的剪應(yīng)變都是開始于加載板兩側(cè)及坡頂面淺層區(qū)域，隨著不斷加載，剪應(yīng)變不斷向深度方向延伸，且無論是FLAC3D模擬還是DIC室內(nèi)試驗(yàn)，土層上部加載板兩側(cè)的剪應(yīng)變都有連通在一起形成連續(xù)剪切面的趨勢(shì)，F(xiàn)LAC3D模擬的剪切帶主要由左側(cè)加載板邊緣產(chǎn)生，右側(cè)邊緣的剪切變形影響較小，基于DIC技術(shù)的室內(nèi)試驗(yàn)有著相似的結(jié)果，兩條從加載板兩側(cè)產(chǎn)生的剪切帶在邊坡中部連接，逐漸形成一條從坡頂貫通至坡腳的剪切帶。臨坡面通過應(yīng)力卸載，在剪切面處產(chǎn)生較小的整體滑動(dòng)，從而使滑動(dòng)面土體顆粒間錯(cuò)動(dòng)加劇，產(chǎn)生較大的正向剪切應(yīng)變。

圖11 40°坡角砂土邊坡加載破壞剪應(yīng)變?cè)茍DFig.11 Strain Diagram of 40°Sand Slope during Loading Failure

2.5 邊坡土體內(nèi)部應(yīng)力分析

由圖12所示，無論是水平還是豎向應(yīng)力，加載板附近始終是土應(yīng)力最大值區(qū)域；除了加載板下方，臨坡面和左側(cè)邊界處土體應(yīng)力比較小，因?yàn)橥馏w受到擠壓，土體顆粒通過應(yīng)力鏈向下方和兩側(cè)傳遞，隨著深度和水平距離增加，應(yīng)力傳遞逐漸減弱，接近于臨坡面的測(cè)點(diǎn)因?yàn)閼?yīng)力卸載的原因，土應(yīng)力最小；而豎向應(yīng)力變化主要集中在加載板中軸線附近，隨著深度增加，應(yīng)力逐漸減小，影響范圍不斷向坡底延伸。

圖12 40°坡角砂土邊坡加載破壞土中應(yīng)力云圖Fig.12 Stress Diagram of 40°Sand Slope during Loading Failure

由圖13可知，模型內(nèi)部土應(yīng)力發(fā)展規(guī)律和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果相一致。隨著不斷加載，土中應(yīng)力不斷增大，且變化率逐漸增大，邊坡破壞后，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)土應(yīng)力驟降至穩(wěn)定。根據(jù)2#測(cè)點(diǎn)和8#測(cè)點(diǎn)、4#測(cè)點(diǎn)和6#測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值范圍，說明加載板軸線處應(yīng)力延深度和兩側(cè)逐漸減小，邊坡中部水平線處應(yīng)力，以軸線處5#測(cè)點(diǎn)為原點(diǎn)向兩側(cè)減小，應(yīng)力傳遞至臨坡面，應(yīng)力值達(dá)到最小值，這與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果（見圖8）和模擬的應(yīng)力云圖規(guī)律一致。兩者只在部分位置存在差異，例如邊坡最終破壞時(shí)的土壓力都比室內(nèi)試驗(yàn)要小，可能是試驗(yàn)加載系統(tǒng)使得土體壓密，土中應(yīng)力提高，且邊坡破壞時(shí)刻附近時(shí)間區(qū)域中，在同一水平線上的土壓力數(shù)值基本相同，而數(shù)值模擬的結(jié)果存在一定的不同，這是由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差導(dǎo)致的。

圖13 試驗(yàn)和模擬40°坡角砂土邊坡土壓力時(shí)程曲線Fig.13 Test and Simulation Time History Curve of Soil Pressure in 40°Sand Slope during Loading Failure

2.6 邊坡三維破壞分析

將砂土邊坡模型在加載破壞時(shí)刻時(shí)的位移場(chǎng)、位移矢量云圖、應(yīng)力場(chǎng)和剪切應(yīng)變?cè)茍D進(jìn)行切片處理，能夠直觀的觀察到邊坡模型Y方向（縱向）的變形破壞狀態(tài)。

由圖14可知，無論是位移場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)變化還是剪應(yīng)變區(qū)域，剪切帶產(chǎn)生位置，在Y方向的數(shù)據(jù)結(jié)果都十分相似，產(chǎn)生的差異較小。土體變形主要集中在加載板軸線附近并向深度和兩側(cè)擴(kuò)展。應(yīng)力延深度和水平方向擴(kuò)展，逐漸削弱，臨坡面應(yīng)力卸載，應(yīng)力值最小。剪切帶產(chǎn)生于加載板兩側(cè)邊緣，左側(cè)較為明顯，最終由左側(cè)剪切帶主導(dǎo)形成貫通至坡腳的滑動(dòng)面。

圖14 40°坡角砂土邊坡加載破壞時(shí)三維云圖Fig.14 Nephogram of 40°Sand Slope during Loading Failure

3 結(jié)論

本文基于DIC數(shù)字圖像技術(shù)的室內(nèi)模型試驗(yàn)和FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)邊坡在荷載作用下土體變形和剪切帶形成機(jī)制進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)：

⑴坡頂豎向荷載-沉降曲線分為2個(gè)階段。在曲線拐點(diǎn)位置，土體完全失穩(wěn)失去承載能力，剪切帶貫通。隨著加載的持續(xù)，土體變形范圍增大。水平位移主要出現(xiàn)在臨坡面和加載板下方一定距離區(qū)域內(nèi)，豎向位移主要集中在加載板下方。

⑵根據(jù)矢量位移圖，加載板下方土體以沉降為主。加載板兩側(cè)淺層土體發(fā)生一定的隆起現(xiàn)象，臨坡面土體主要產(chǎn)生斜向右上方的運(yùn)動(dòng)。

⑶由土體剪應(yīng)變?cè)茍D可以直觀地觀察到剪切帶的貫通過程。土體剪應(yīng)變區(qū)域由坡頂向下發(fā)展且主要集中在剪切帶區(qū)域，上部位置剪切帶與水平線的夾角較大，下部位置剪切帶與水平線的夾角較小。

⑷邊坡受載，加載板正下方應(yīng)力值存在最大值區(qū)域，并且水平應(yīng)力向兩側(cè)延伸至坡面坡腳，豎向應(yīng)力向深度方向延伸至坡底，兩者影響范圍均不斷向四周擴(kuò)大，不同測(cè)點(diǎn)均經(jīng)歷土壓力緩慢增大、快遞增大、下降后趨于穩(wěn)定3個(gè)階段。