張明磊，韋小超，程衛(wèi)祥，周光，查甫生，胡傳慶，楊志龍

（1.中能建建筑集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230088；2.廣州環(huán)投從化環(huán)保能源有限公司，廣東 廣州 510947；3.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）

1 引言

土石高填方邊坡受多種因素影響，如土體的不同含石量、不同塊石粒徑、不同降雨強(qiáng)度。尤其降雨強(qiáng)度對(duì)土石高填方邊坡影響最大，為了研究高填方邊坡不同降雨條件下邊坡穩(wěn)定性影響，以廣州市第七資源熱力電廠二期工程及配套設(shè)施項(xiàng)目開挖建設(shè)過(guò)程中遇到的土石混合料回填后形成邊坡為例開展相關(guān)研究。

在土石高填方邊坡穩(wěn)定性分析方面，多位學(xué)者開展了相關(guān)研究，Shakoo[1]等通過(guò)大型直剪試驗(yàn)研究了含礫石黏土強(qiáng)度特性，當(dāng)含石量<40%時(shí)，抗剪強(qiáng)度隨著含石量增大而緩慢提高，而當(dāng)含石量>40%時(shí)其抗剪強(qiáng)度急劇提高，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含石量增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。Hamidi等[2-3]通過(guò)理論分析和大尺度直剪試驗(yàn)研究了砂石混合體的抗剪強(qiáng)度，并認(rèn)為60%含石量是影響砂石混合體的一個(gè)臨界值。Vallejo等[4-5]研究了土石混合體內(nèi)部含石量對(duì)其抗剪強(qiáng)度的影響，認(rèn)為40%、70%的含石量是混合體的兩個(gè)臨界指標(biāo)。SavelyJP[6]、田永銘[7]等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨著含石量增加，土石混合體內(nèi)摩擦角上升，粘聚力減小；當(dāng)基巖上覆土石混合體時(shí)，含石量大小對(duì)土石混合體粘聚力影響不大，其值近似于基質(zhì)材料的粘聚力。

由于土石混合體尺度較大，且具有非均質(zhì)、非連續(xù)、非線性等特點(diǎn)，通過(guò)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究會(huì)有一定的局限性，數(shù)值模擬則可以從不同角度分析變形破壞機(jī)理、強(qiáng)度特征等力學(xué)特性，成為研究土石混合體力學(xué)性能及破壞原理的重要手段。Z.Q.Yue[8]利用有限單元的方法模擬了經(jīng)典巴西劈裂試驗(yàn)并與真實(shí)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，研究發(fā)現(xiàn)土石混合體材料的非均質(zhì)性對(duì)試樣拉應(yīng)力的分布有重要影響。油新華[9]采用FLAC3D有限差分程序?qū)K石在土石混合體中的力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出塊石含量、形狀及分布對(duì)土石混合體的變形破壞起著控制作用。范永波等[10]采用CDEM對(duì)不同邊界條件下土石混合體破壞機(jī)制進(jìn)行模擬，得出等位移邊界條件所得不均勻地質(zhì)體參數(shù)相對(duì)于同等應(yīng)力邊界條件來(lái)說(shuō)是不安全的。

2 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于廣州市從化區(qū)鰲頭鎮(zhèn)潭口村，場(chǎng)地處于丘陵地貌單元之中，微地貌單元由低丘、丘間洼地、沖溝組成。地勢(shì)整體呈東高西低，地面高程為54.15m～132.00m，高差77.85m，山丘自然坡度一般為 15°～35°，局部達(dá) 40°以上。研究區(qū)地基土覆蓋層自上而下分別為第四系人工填土層（Q4ml）雜填土、素填土，坡積土層（Q4dl）粉質(zhì)黏土，沖積土層（Q4al）粉質(zhì)黏土、淤泥、礫砂以及殘積土層（Q4el）砂質(zhì)黏性土。下伏基巖為燕山期（γ5）花崗巖。場(chǎng)地整平后其周邊將在原始低丘、丘間洼地、沖溝位置形成高填方邊坡，邊坡坡度20°～25°之間，邊坡高度約20m。

3 巖土力學(xué)參數(shù)

在研究區(qū)選擇典型地層巖土樣，采取原土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，得到了各種巖土體力學(xué)參數(shù)，具體如表1所示。

巖土體力學(xué)參數(shù) 表1

4 不同塊石粒徑土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析

分析程序采用邁達(dá)斯模擬軟件，開展了二維模型計(jì)算分析。當(dāng)土石混合體邊坡含石量保持不變時(shí)，改變土石混合邊坡中塊石的顆粒大小，研究塊石粒徑對(duì)土石混合邊坡的穩(wěn)定性影響，在下文模擬中選取含石量為40%的情況建立模型，分別研究粒徑15cm、30cm、50cm情況下的邊坡穩(wěn)定性。邊坡位移計(jì)算結(jié)果如圖1～圖3所示。

圖1 粒徑15cm位移計(jì)算結(jié)果云圖

圖2 粒徑30cm位移計(jì)算結(jié)果云圖

圖3 粒徑50cm位移計(jì)算結(jié)果云圖

由圖可知，隨著塊石粒徑的增加，安全系數(shù)并無(wú)明顯改變，因?yàn)楹恳欢?，整體的力學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變，但隨著塊石粒徑的增加，邊坡的位移發(fā)生了改變。當(dāng)粒徑為15cm時(shí)，邊坡位移呈現(xiàn)有規(guī)則的滑移，從坡頂延伸到坡腳，能看出明顯滑動(dòng)帶。隨著粒徑增加到30cm時(shí)，邊坡位移增大，整個(gè)邊坡產(chǎn)生位移，且滑動(dòng)帶呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。當(dāng)粒徑增加到50cm時(shí)，邊坡無(wú)明顯滑動(dòng)，由于坡腳處應(yīng)力集中，位移位置僅在坡腳處產(chǎn)生破裂滑移，對(duì)整個(gè)坡體無(wú)明顯影響。能看出隨著粒徑的增加，位移的范圍越來(lái)越廣，邊坡位移也逐漸沿不規(guī)則滑動(dòng)面滑動(dòng)，這是由于邊坡滑動(dòng)時(shí)，土體會(huì)首先屈服，塊石仍然處于彈性狀態(tài)，因此塊石粒徑越大，整個(gè)坡體的抗剪能力越強(qiáng)，產(chǎn)生位移越小，且邊坡受力沿著土體與塊石的粘結(jié)面產(chǎn)生位移，所以塊石粒徑越大，邊坡產(chǎn)生的位移面越不規(guī)則。

5 不同降雨強(qiáng)度下土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析

需模擬降雨入滲對(duì)邊坡巖土體的影響，非飽和特性函數(shù)及其參數(shù)的選取對(duì)計(jì)算結(jié)果具有重要影響，現(xiàn)選取包氣帶巖土體水力特征中常用的V-G函數(shù)，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲得邊坡巖土體水力計(jì)算參數(shù)，所需參數(shù)見表2。

V-G函數(shù)模型參數(shù)表 表2

相關(guān)資料表明，廣州市從化區(qū)年平均雨量1800mm～2200mm，春季和夏季降水較多，夏季暴雨頻發(fā)，該場(chǎng)地土石邊坡中含有大量膨脹性黏土，具有遇水膨脹等致災(zāi)特性，滲流對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有重大安全隱患。根據(jù)該區(qū)域降雨量特點(diǎn)，結(jié)合表3選取小雨、大雨、暴雨、特大暴雨四個(gè)降雨強(qiáng)度，進(jìn)行不同降雨強(qiáng)度下邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，按降雨強(qiáng)度分別設(shè)置12小時(shí)降雨量5mm、30mm、70mm、150mm。分別計(jì)算不同降雨強(qiáng)度下邊坡位移及應(yīng)變。邊坡位移計(jì)算結(jié)果如圖4～圖7所示。

降雨強(qiáng)度表 表3

圖4 小雨強(qiáng)度位移計(jì)算結(jié)果云圖

圖5 大雨強(qiáng)度位移計(jì)算結(jié)果云圖

圖6 暴雨強(qiáng)度位移計(jì)算結(jié)果云圖

圖7 特大暴雨強(qiáng)度位移計(jì)算結(jié)果云圖

當(dāng)降雨強(qiáng)度為特大暴雨時(shí)，邊坡滑動(dòng)帶呈現(xiàn)弧形，從坡頂延續(xù)到坡腳。當(dāng)降雨強(qiáng)度為暴雨時(shí)，隨著降雨入滲的減小，邊坡滑動(dòng)面有所收縮，僅從坡頂延續(xù)到坡面中部，且在坡頂易產(chǎn)生破壞。當(dāng)降雨強(qiáng)度為大雨時(shí)，邊坡滑動(dòng)帶呈現(xiàn)不規(guī)則且不明顯。當(dāng)降雨強(qiáng)度為小雨時(shí)，降雨入滲的影響最小，滑動(dòng)面主要是由坡面中部延續(xù)到坡腳，在坡腳處應(yīng)力集中。

由圖8可知，降雨強(qiáng)度與安全系數(shù)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，隨著降雨強(qiáng)度的增加，安全系數(shù)在逐漸減小，且在小雨變成大雨時(shí)降低最為明顯，說(shuō)明降雨強(qiáng)度對(duì)土石高填方邊坡的穩(wěn)定性存在影響。

圖8 安全系數(shù)隨降雨強(qiáng)度變化曲線

6 結(jié)論

本文采用強(qiáng)度折減法對(duì)影響邊坡穩(wěn)定的土體相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論。

①項(xiàng)目區(qū)域的土石混合體主要為人工填土、軟土、風(fēng)化巖及殘積土。場(chǎng)地花崗巖具有典型球狀風(fēng)化特征，即在各風(fēng)化帶中殘留球狀風(fēng)化體(孤石)。球狀風(fēng)化體(孤石)在空間分布上雜亂無(wú)章，無(wú)規(guī)律性，直接造成天然地基土和高填方邊坡的不均勻性。

②當(dāng)含石量相同時(shí)，邊坡的穩(wěn)定性不會(huì)隨著土石混合體中的塊石粒徑而改變，但邊坡的位移范圍會(huì)隨著塊石粒徑的增大而減小，邊坡滑動(dòng)帶的形狀也會(huì)發(fā)生改變。

③邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨強(qiáng)度的增加而相應(yīng)的改變，隨著降雨強(qiáng)度的增加邊坡安全系數(shù)逐漸降低，且位移范圍也隨之增加。