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，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、不同降雨強度。尤其降雨強度對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施項目開挖建設過程中遇到的土石混合料回填后形成邊坡為例開展相關研究。

在土石高填方邊坡穩(wěn)定性分析方面，多位學者開展了相關研究，Shakoo[1]等通過大型直剪試驗研究了含礫石黏土強度特性，當含石量<40%時，抗剪強度隨著含石量增大而緩慢提高，而當含石量>40%時其抗剪強度急劇提高，無側限抗壓強度隨含石量增大呈現(xiàn)減小趨勢。Hamidi等[2-3]通過理論分析和大尺度直剪試驗研究了砂石混合體的抗剪強度，并認為60%含石量是影響砂石混合體的一個臨界值。Vallejo等[4-5]研究了土石混合體內(nèi)部含石量對其抗剪強度的影響，認為40%、70%的含石量是混合體的兩個臨界指標。SavelyJP[6]、田永銘[7]等通過試驗發(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；當基巖上覆土石混合體時，含石量大小對土石混合體粘聚力影響不大，其值近似于基質材料的粘聚力。

由于土石混合體尺度較大，且具有非均質、非連續(xù)、非線性等特點，通過傳統(tǒng)的實驗研究會有一定的局限性，數(shù)值模擬則可以從不同角度分析變形破壞機理、強度特征等力學特性，成為研究土石混合體力學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)典巴西劈裂試驗并與真實試驗進行對比，研究發(fā)現(xiàn)土石混合體材料的非均質性對試樣拉應力的分布有重要影響。油新華[9]采用FLAC3D有限差分程序對塊石在土石混合體中的力學效應進行了詳細分析，指出塊石含量、形狀及分布對土石混合體的變形破壞起著控制作用。范永波等[10]采用CDEM對不同邊界條件下土石混合體破壞機制進行模擬，得出等位移邊界條件所得不均勻地質體參數(shù)相對于同等應力邊界條件來說是不安全的。

2 地質概況

研究區(qū)位于廣州市從化區(qū)鰲頭鎮(zhèn)潭口村，場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 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）粉質黏土，沖積土層（Q4al）粉質黏土、淤泥、礫砂以及殘積土層（Q4el）砂質黏性土。下伏基巖為燕山期（γ5）花崗巖。場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 巖土力學參數(shù)

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

巖土體力學參數(shù) 表1

4 不同塊石粒徑土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析

分析程序采用邁達斯模擬軟件，開展了二維模型計算分析。當土石混合體邊坡含石量保持不變時，改變土石混合邊坡中塊石的顆粒大小，研究塊石粒徑對土石混合邊坡的穩(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。邊坡位移計算結果如圖1～圖3所示。

圖1 粒徑15cm位移計算結果云圖

圖2 粒徑30cm位移計算結果云圖

圖3 粒徑50cm位移計算結果云圖

由圖可知，隨著塊石粒徑的增加，安全系數(shù)并無明顯改變，因為含石量一定，整體的力學性質不發(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。當粒徑為15cm時，邊坡位移呈現(xiàn)有規(guī)則的滑移，從坡頂延伸到坡腳，能看出明顯滑動帶。隨著粒徑增加到30cm時，邊坡位移增大，整個邊坡產(chǎn)生位移，且滑動帶呈現(xiàn)不規(guī)則形狀。當粒徑增加到50cm時，邊坡無明顯滑動，由于坡腳處應力集中，位移位置僅在坡腳處產(chǎn)生破裂滑移，對整個坡體無明顯影響。能看出隨著粒徑的增加，位移的范圍越來越廣，邊坡位移也逐漸沿不規(guī)則滑動面滑動，這是由于邊坡滑動時，土體會首先屈服，塊石仍然處于彈性狀態(tài)，因此塊石粒徑越大，整個坡體的抗剪能力越強，產(chǎn)生位移越小，且邊坡受力沿著土體與塊石的粘結面產(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 不同降雨強度下土石混合體邊坡穩(wěn)定性分析

需模擬降雨入滲對邊坡巖土體的影響，非飽和特性函數(shù)及其參數(shù)的選取對計算結果具有重要影響，現(xiàn)選取包氣帶巖土體水力特征中常用的V-G函數(shù)，通過室內(nèi)試驗獲得邊坡巖土體水力計算參數(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)，該場地土石邊坡中含有大量膨脹性黏土，具有遇水膨脹等致災特性，滲流對邊坡穩(wěn)定性具有重大安全隱患。根據(jù)該區(qū)域降雨量特點，結合表3選取小雨、大雨、暴雨、特大暴雨四個降雨強度，進行不同降雨強度下邊坡穩(wěn)定性計算，按降雨強度分別設置12小時降雨量5mm、30mm、70mm、150mm。分別計算不同降雨強度下邊坡位移及應變。邊坡位移計算結果如圖4～圖7所示。

降雨強度表 表3

圖4 小雨強度位移計算結果云圖

圖5 大雨強度位移計算結果云圖

圖6 暴雨強度位移計算結果云圖

圖7 特大暴雨強度位移計算結果云圖

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

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

圖8 安全系數(shù)隨降雨強度變化曲線

6 結論

本文采用強度折減法對影響邊坡穩(wěn)定的土體相關參數(shù)進行了分析，得出以下結論。

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

②當含石量相同時，邊坡的穩(wěn)定性不會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隨著塊石粒徑的增大而減小，邊坡滑動帶的形狀也會發(fā)生改變。

③邊坡的穩(wěn)定性隨著降雨強度的增加而相應的改變，隨著降雨強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。