黃雪薇 覃佳 謝東旭

摘要：近幾十年以來，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家投入資金到基礎(chǔ)建設(shè)，形成了大量人工土質(zhì)邊坡，同時(shí)也引發(fā)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(yán)重、邊坡填料大量流失、土體產(chǎn)生溜塌[1]。本項(xiàng)目基于離散元理論，運(yùn)用PFC2D數(shù)值模擬軟件，在前人研究基礎(chǔ)上，從邊坡滑坡實(shí)際過程出發(fā)，模擬土質(zhì)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(guī)律。

關(guān)鍵詞：土質(zhì)邊坡;滑坡;PFC數(shù)值模擬

一、引言

隨著我國人口的上升，導(dǎo)致基礎(chǔ)建設(shè)行業(yè)的力度加大，就會(huì)產(chǎn)生許多土質(zhì)場(chǎng)地。而許多的巖土邊坡工程的問題也隨之出現(xiàn)。邊坡作為在建筑行業(yè)的危險(xiǎn)源，需要我們加大重視力度。而一旦發(fā)生邊坡失穩(wěn)就會(huì)造成重大事故，造成人民生命財(cái)產(chǎn)的損失[2]。而常見的邊坡破壞類型有松弛張裂、蠕動(dòng)變形、坍塌、滑坡[3]。

因此，對(duì)土質(zhì)邊坡在滑坡過程中的細(xì)觀耦合機(jī)制研究尤為重要，可以準(zhǔn)確判斷邊坡發(fā)生失穩(wěn)的可能性從而防患于未然，對(duì)于建設(shè)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(xué)參數(shù)，本文對(duì)土進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)和PFC數(shù)值模擬研究，從而了解土的物理力學(xué)特性以及探究土體顆粒細(xì)觀破壞機(jī)制，從而對(duì)土質(zhì)邊坡的性質(zhì)提供理論依據(jù)。

二、力學(xué)實(shí)驗(yàn)概況

粘土在我們生活隨處可見，我們可以通過對(duì)直剪試驗(yàn)的基本原理、基本操作方法和抗剪強(qiáng)度的基本理論的了解，進(jìn)行粘土直剪實(shí)驗(yàn)得到粘土物理力學(xué)參數(shù)，并做出相關(guān)分析。

首先對(duì)選取粘土進(jìn)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(yīng)力對(duì)粘土特性界面的影響，在剪切的時(shí)候

分別設(shè)置50KPa、100Kpa、200Kpa、400Kpa的法相應(yīng)力;在剪切時(shí)設(shè)定單調(diào)直剪切速率為0.8mm/min，剪切量為9mm。實(shí)驗(yàn)主要研究粘土的物理力學(xué)參數(shù)。

2.1實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備

本課題的研究目的是重慶地區(qū)的粘土力學(xué)性質(zhì)，因此，實(shí)驗(yàn)的材料來自于重慶科技學(xué)院東門邊坡的粘土，先將取回的土樣進(jìn)行干燥并用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎（具體見圖1），將粉碎的土樣用50目的篩網(wǎng)進(jìn)行過濾，得到最大孔徑為0.28mm的土樣。

2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)主要運(yùn)用直剪儀測(cè)了四組不同壓力強(qiáng)度的粘土，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：

三、二維剪切實(shí)驗(yàn)

3.1二維剪切模型的建立

通過標(biāo)定獲得參數(shù)，并在50Kpa的靜壓下進(jìn)行二維剪切模擬。

3.2直剪實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證

以圍壓為50Kpa下的應(yīng)力應(yīng)變?yōu)楸容^，我們可以看出，通過對(duì)粘土進(jìn)行PFC數(shù)值模擬直剪實(shí)驗(yàn)擬得出的結(jié)果與室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)下的結(jié)果變化規(guī)律較為一致，但是數(shù)值模擬的方式在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)變化上表現(xiàn)的更為細(xì)致。

四、PFC滑坡數(shù)值模擬研究

4.1計(jì)算參數(shù)的選取

本次模型的邊坡為自行設(shè)計(jì)邊坡輪廓而來，而邊坡的宏觀力學(xué)參數(shù)主要有黏聚力和內(nèi)摩擦角等[5]。而在我們進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)候需要輸入微觀力學(xué)參數(shù)，為的能夠得到表現(xiàn)宏觀參數(shù)的微觀參數(shù)，在模擬之前我們進(jìn)行了二維直剪模擬實(shí)驗(yàn)，并通過一系列的直剪模擬實(shí)驗(yàn)與前面力學(xué)實(shí)驗(yàn)得到的宏觀特征相應(yīng)的微觀力學(xué)參數(shù)[6]。

4.2計(jì)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?cè)O(shè)置顆粒間的接觸為粘性接觸來模擬粘土，通過cycle循環(huán)使其達(dá)到充滿整個(gè)墻體，進(jìn)行顆粒預(yù)壓。生成的未加筋邊坡模型。在未加筋的情況下，預(yù)壓結(jié)束之后，通過對(duì)邊坡賦值各種參數(shù)，然后刪除斜坡面墻體，設(shè)置重力進(jìn)行計(jì)算，使邊坡破壞。在模擬時(shí)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(duì)邊坡破壞變化過程進(jìn)行對(duì)比。

4.3計(jì)算結(jié)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(rèn)識(shí)到粘土邊坡破壞過程顆粒的位移情況，在t=0時(shí)我們可以看到邊坡有部分顆粒就快要發(fā)生位移，這時(shí)說明坡體內(nèi)部不穩(wěn)定，隨著計(jì)算的運(yùn)行更多顆粒開始下滑，在t=20min時(shí)候開始大面積滑動(dòng)。這個(gè)過程一直到t=50min坡體才不會(huì)滑動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定，這時(shí)坡體已近發(fā)生嚴(yán)重變形。

粘土邊坡是由許多細(xì)小顆粒組成的離散結(jié)構(gòu)體，屬于多孔介質(zhì)。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(wěn)定的情況下，顆粒會(huì)發(fā)生移動(dòng)，粒徑小顆粒會(huì)填補(bǔ)空襲，這時(shí)空襲就會(huì)減小，顆粒間強(qiáng)粘結(jié)受擠壓作用變形，逐漸轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度弱的粘結(jié)，發(fā)生粘結(jié)斷裂。我們從總體來看可以發(fā)現(xiàn)坡面剛發(fā)生破壞時(shí)，坡體顆粒發(fā)生重新排列或滑動(dòng)，滑動(dòng)最先出現(xiàn)在坡腳，坡腳的顆粒最先發(fā)生位移并逐漸向上面延伸，顆粒逐漸向下滑動(dòng)邊坡開始破壞，直到坡體再次達(dá)到穩(wěn)定邊坡破壞才結(jié)束。

運(yùn)用PFC程序中的測(cè)量圓命令可以得到邊坡破壞過程中其內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化，以其坡頂、坡中、坡腳三個(gè)部位來設(shè)置測(cè)量圓（具體見圖4），我們可以知道，三個(gè)測(cè)量點(diǎn)的應(yīng)力先是有短暫的應(yīng)力上升，達(dá)到一定峰值后才逐漸減小，最后逐漸平緩。坡體內(nèi)部的應(yīng)力先上升然后下降最后應(yīng)力平緩的過程，其實(shí)際是坡體變形過程中應(yīng)力重新分布產(chǎn)生的。這是因?yàn)槲覀冊(cè)谄麦w運(yùn)行前通過參數(shù)的改變使坡體進(jìn)入不穩(wěn)定的狀態(tài)，程序運(yùn)行時(shí)就會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力重新分布。從圖4中我們可以看到坡頂?shù)膽?yīng)力最先到達(dá)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(fā)生在坡頂部位。這與圖3邊坡破壞過程的表現(xiàn)是一致的。

4.4小結(jié)

邊坡的破壞過程是一個(gè)逐漸變化的過程。坡體在不穩(wěn)定的情況下發(fā)生變形破壞，這時(shí)邊坡應(yīng)力會(huì)局部增大，這是因?yàn)槠茐倪^程中顆粒的應(yīng)力不斷的聚集，當(dāng)坡體不可能承受這個(gè)應(yīng)力時(shí)，坡體發(fā)生邊坡破壞或者在重力作用下下滑。

（基金項(xiàng)目：重慶科技學(xué)院碩士研究生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目-YKJCX1920725）

參考文獻(xiàn)

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