陳振平， 畢晨潔， 吳珍云， 石祖峰， 李希星， 歐陽海金

（1.東華理工大學(xué)a.水資源與環(huán)境工程學(xué)院；b.地球科學(xué)學(xué)院；c.江西省防震減災(zāi)與工程地質(zhì)災(zāi)害探測工程研究中心，南昌 330013；2.江西省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊，江西 上饒 334000；3.江西省地質(zhì)局物化探大隊，南昌 330025）

0 引言

在南方丘陵區(qū)工程建設(shè)中，臨近山體修路或切坡建房易形成較大邊坡或者高陡切坡［1-2］。這類邊坡坡高多集中在200 m內(nèi)，坡度以20° ～50°為主，坡體穩(wěn)定性差，在內(nèi)外地質(zhì)應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生失穩(wěn)形成不同程度的地質(zhì)災(zāi)害，對居民生活及交通干線等帶來威脅［3-4］。針對上饒地區(qū)地質(zhì)災(zāi)害類型，已有研究人員做過大量現(xiàn)場調(diào)查工作，統(tǒng)計結(jié)果表明區(qū)內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害類型主要為土質(zhì)滑坡，約占災(zāi)害總數(shù)的60%，且每年的3 ～7月份（汛期）為災(zāi)害多發(fā)期［1-3］。該類土質(zhì)滑坡多為第四系殘坡積及崩坡積物，巖性主要為粉質(zhì)黏土［3］，土體結(jié)構(gòu)松散，通常具有壓縮性高、強(qiáng)度差、裂隙發(fā)達(dá)等特性［5-7］。調(diào)查結(jié)果可知地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育除了邊坡本身黏土質(zhì)特征之外，降雨及頻繁人類工程活動（如切坡）也是重要的影響因素。但對于降雨和切坡工程如何影響上饒丘陵地區(qū)黏土質(zhì)邊坡失穩(wěn)，目前仍沒有開展相應(yīng)的實驗研究，尤其是從實驗?zāi)M的角度進(jìn)行影響因素分析。

近年來，隨著計算機(jī)模擬研究的不斷深入，結(jié)合研究區(qū)實際工程地質(zhì)特征，利用有效的模擬手段，基于定量分析方法對邊坡穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行不同角度的機(jī)理性分析，是當(dāng)下研究邊坡穩(wěn)定性及其影響因素的有效方法之一［8-9］，如吳江鵬等［10］基于人工開挖以及降雨條件的影響，分析邊坡在不同開挖時步和不同工況下的穩(wěn)定性及變形破壞機(jī)理，李效萌等［11］針對贛東地區(qū)牽引式殘坡積土質(zhì)滑坡，利用反演分析和折線滑動法，探討了滑坡在自重、暴雨加自重的兩種不同工況下的穩(wěn)定性，并分析其成因和失穩(wěn)破壞模式。鑒于此，針對上饒丘陵地區(qū)開展黏土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性研究，有利于加深對江西境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害孕災(zāi)地質(zhì)條件、成災(zāi)模式、易發(fā)性和危險性的認(rèn)識，是完善境內(nèi)地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險評估的重要內(nèi)容之一。

本文以江西省上饒丘陵地區(qū)典型粉質(zhì)黏土邊坡為研究對象，以邊坡坡度和含水率為控制變量，設(shè)計邊坡失穩(wěn)有限元模擬實驗，擬分析在不同切坡角度和不同含水率下的邊坡穩(wěn)定性特征，以期對上饒地區(qū)邊坡工程防護(hù)提供理論指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬

1.1 基本原理

ANSYS 作為一種大型的通用有限元數(shù)值模擬軟件，廣泛運(yùn)用于各個領(lǐng)域［12］，在邊坡工程分析中也得到了廣泛應(yīng)用，其中邊坡穩(wěn)定性分析中常見的方法為強(qiáng)度折減法。強(qiáng)度折減法是極限平衡法思想下一種新的求解邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的分析方法［13-14］，是從邊坡內(nèi)因進(jìn)行分析，主要通過不斷增加強(qiáng)度折減系數(shù)F，從而降低邊坡的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直至邊坡達(dá)到臨界平衡狀態(tài)。臨界平衡狀態(tài)下對應(yīng)的F即為邊坡整體處于穩(wěn)定的安全系數(shù)ns，在折減過程當(dāng)中，抗剪強(qiáng)度參數(shù)需要滿足下列關(guān)系式：

式中：C、φ分別為折減前巖土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角；i為折減次數(shù)；Ci、φi分別為折減后巖土體的黏聚力、內(nèi)摩擦角；Fi為強(qiáng)度折減系數(shù)。

在有限元分析應(yīng)用中，滑動土體無限移動，以特定監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)變和位移突變且無限發(fā)展作為邊坡失穩(wěn)破壞的依據(jù)［14］。本文中使用該方法作為數(shù)值模擬過程中邊坡失穩(wěn)破壞的依據(jù)。在邊坡穩(wěn)定性分析當(dāng)中，一般認(rèn)為邊坡的ns＞1.0 時，邊坡是穩(wěn)定的；ns＜1.0 時，邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞；ns＝1.0 時，邊坡處于極限平衡狀態(tài)。

1.2 模型建立與參數(shù)設(shè)置

上饒地區(qū)土質(zhì)滑坡組成以碎石土、粉質(zhì)黏土及含碎石粉質(zhì)黏土為主，結(jié)構(gòu)松散，其厚度一般為0.3 ～15 m之間，屬淺層滑坡，受外界因素的影響，極易以牽引式運(yùn)動形式發(fā)生滑脫，多具上小下大的格局，橫向張性裂隙發(fā)育，表面多見階梯狀或陡坎，如圖1 所示。針對研究區(qū)土質(zhì)邊坡的幾何特征，結(jié)合上饒地區(qū)野外邊坡調(diào)查結(jié)果，本文建立了如圖2 所示的模型。簡化后的初始模型條件為底高40 m，寬115.15 m，坡高為20 m，并用3 個算例條件進(jìn)行分析，算例的條件如下：

圖1 上饒地區(qū)典型黏土質(zhì)邊坡（滑坡）

圖2 建立的模型條件（m）

算例1為對比模型，設(shè)定初始邊坡角度α ＝30°［見圖2（a）］。

算例2基于算例1 中邊坡的參數(shù)和幾何形態(tài)，固定切坡高度為10 m，以切坡角度β ＝30° ～50°（初始角度為30°）為變量計算了不同切坡角度下邊坡穩(wěn)定性實驗［見圖2（b）］。

算例3在算例1 模型基礎(chǔ)上，以特定坡角下不同含水率w為變量，模擬分析了邊坡的穩(wěn)定性［見圖2（c）］。實驗設(shè)計中根據(jù)統(tǒng)計的研究區(qū)巖土工程勘察所提供不同含水率下土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，確定算例3 模型的力學(xué)參數(shù)，進(jìn)而將降雨量對邊坡穩(wěn)定性影響轉(zhuǎn)化為土層含水率變化導(dǎo)致土體抗剪強(qiáng)度參數(shù)變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。

模擬實驗基于ANSYS 軟件［12］，采用Drucker-Prager模型［15］，屈服準(zhǔn)則選擇M-C 準(zhǔn)則［16］，基本參數(shù)采用粉質(zhì)黏土的力學(xué)參數(shù)（如密度ρ、彈性模量E和泊松比ν），3 個算例模型具體參數(shù)見表1 所示。模型采用二維平面單位中的plane82，網(wǎng)格劃分采用三角形或四邊形網(wǎng)格單位，在坡趾、坡中、坡頂分別設(shè)置A、B、C 3 個監(jiān)測點(diǎn)，邊坡簡化模型與監(jiān)測點(diǎn)位置如圖2（a）所示。邊界約束條件的設(shè)置是否正確與模擬能否計算成功有很大關(guān)聯(lián)，模型的左右邊界只有水平方向約束，底部邊界設(shè)置為所有方向約束，頂部邊界不進(jìn)行約束，且外部荷載只有重力荷載。

表1 不同算例土體的物理力學(xué)參數(shù)

2 有限元計算結(jié)果與分析

2.1 有限元計算結(jié)果

2.1.1 算例1

算例1 模型中分別選取A、B、C 點(diǎn)作為位移突變的監(jiān)測點(diǎn)，觀測3 點(diǎn)在不同強(qiáng)度折減系數(shù)下位移的變化，如圖3 所示。同時繪制了F與X方向位移（UX）變化關(guān)系曲線，如圖4 所示。由圖3、4 可知，通過對A、B、C點(diǎn)處邊坡失穩(wěn)破壞前、后的曲線進(jìn)行線性擬合，發(fā)現(xiàn)失穩(wěn)破壞前、后是呈線性相關(guān)的。于是，通過線性相關(guān)構(gòu)建線性方程，可求得邊坡模型的ns［9，11］。以C點(diǎn)處為例，獲取邊坡失穩(wěn)破壞前、后在該點(diǎn)處的線性關(guān)系如下：

圖3 算例1模型ns 狀態(tài)下的X方向位移云圖

圖4 F與UX 關(guān)系曲線

經(jīng)關(guān)聯(lián)求解，解得C 點(diǎn)處FC＝1.187 5。同理，分別以A點(diǎn)、B點(diǎn)為位移突變監(jiān)測點(diǎn)，計算其對應(yīng)FA、FB分別為1.191 9、1.185 8。將A、B、C 點(diǎn)處F求取均值，即為模型整體的安全系數(shù)ng。因此，算例1 采用位移突變判據(jù)解得的ng＝1.188 4，說明此時的邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，其在自重作用下邊坡不會發(fā)生失穩(wěn)滑移。

2.1.2 算例2

算例2 以算例1（F＝1.188 4 時的邊坡）作為切坡前的初始模型，模擬邊坡在坡趾處出現(xiàn)切坡時的穩(wěn)定性，并繪制邊坡n與β關(guān)系曲線，如圖5 所示。模擬結(jié)果表明，例2 模型n隨β的增加總體呈現(xiàn)下降趨勢，且臨界平衡狀態(tài)（即n＝1.0）時所對應(yīng)的β 約為44°，這說明算例2 在β ＞44°時，其模型n＝將小于1，在自重作用下將發(fā)生邊坡失穩(wěn)。

圖5 β與n關(guān)系曲線

2.1.3 算例3

為了進(jìn)一步分析不同坡角時黏土質(zhì)邊坡含水率對n的影響，本文開展了算例3 模型計算，實驗?zāi)M結(jié)果如圖6 所示。由圖可知，同一坡角下，n均是隨著含水率的增加而降低，而在不同坡角下，邊坡臨界極限狀態(tài)（n＝1.0 時）所對應(yīng)的含水率在降低，β 越大，邊坡失穩(wěn)所對應(yīng)的含水率越小。以處于臨界極限狀態(tài)的A、B、C點(diǎn)為例：A點(diǎn)（β ＝50°）失穩(wěn)臨界所需w＝23.3%；B點(diǎn)（β ＝45°）失穩(wěn)臨界所需w＝28.2%；C 點(diǎn)（β ＝40°）失穩(wěn)臨界則需w＞31.4%。模擬計算結(jié)果表明，受降雨影響的情況下，邊坡w會發(fā)生變化，導(dǎo)致不同β的邊坡產(chǎn)生不同程度的失穩(wěn)。對于w＝22% ～32%的黏土質(zhì)邊坡，其易發(fā)生邊坡失穩(wěn)的β 范圍在40°以上；對于β ＝45°的邊坡，w＞28.2%，則邊坡易失穩(wěn)；β ＝50°時，w＝23.3%時，邊坡便易失穩(wěn)。

圖6 不同β下ns 與w關(guān)系

根據(jù)研究區(qū)收集的巖土工程勘察資料，本文選取了一個常態(tài)化雨季時期（w＝28.54%）典型黏土層邊坡進(jìn)行了不同坡角下邊坡變形模擬，如圖7 所示。由計算模擬的等效塑性云圖可知，當(dāng)β ＝30°時，邊坡未出現(xiàn)等效塑性區(qū)，當(dāng)β ＝42°時，邊坡坡趾處開始出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)。隨著β 的增加，邊坡的塑性區(qū)從坡趾處開始擴(kuò)展，且邊坡的臨界滑動面也開始逐漸顯現(xiàn)并存在向坡體內(nèi)延伸的趨勢，滑體面積也相應(yīng)地逐漸增加，當(dāng)β ＞44°時，邊坡塑性應(yīng)變值迅速增加，塑性區(qū)分布開始從坡趾向坡頂蔓延，甚至貫穿坡頂，滑動面完全形成。

圖7 w ＝28.54%下不同β的等效塑性云圖

圖8 上饒地區(qū)典型牽引式滑坡剖面圖

2.2 結(jié)果分析

上饒地區(qū)大部分位于丘陵和低山區(qū)的居民住宅常依山而建，房屋后有不同程度的切坡現(xiàn)象［17］，這些切坡多為中高角度邊坡，在強(qiáng)降雨作用下，極易使土壤含水量增加，下滲至滑面上，經(jīng)滲流、沖刷等形式，地層失穩(wěn)，產(chǎn)生蠕滑變形，發(fā)生不同程度的地質(zhì)災(zāi)害［見圖1和8］。算例2 和算例3 邊坡模型的模擬結(jié)果很好地表現(xiàn)出上述情況（見圖5 ～7）。算例2 中模型對坡趾處土體進(jìn)行開挖，n隨之降低，同時，坡趾處位移對比切坡前發(fā)生了明顯的變化，β 越大，發(fā)生位移量也越大。算例3 模型中土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（表征土層含水率）對n有很大影響，隨著抗剪強(qiáng)度參數(shù)增加，n降低。但當(dāng)β ＜40°，土質(zhì)w＜31.5%時，邊坡整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合現(xiàn)階段上饒地區(qū)土體的含水率特征，表明在受降雨影響的情況下極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)的范圍在β≥40°，如在β ＝45°，w＞28.54%時，邊坡失穩(wěn)，而β ＝50°時，w＞23.6%，邊坡就失穩(wěn)滑移。

結(jié)合上饒地區(qū)的工程地質(zhì)環(huán)境條件、邊坡特征以及本文的模擬實驗，可以對區(qū)域內(nèi)的土質(zhì)邊坡提供有針對性的防治建議：①可通過降低或平緩坡度有效改善邊坡穩(wěn)定性，尤其在進(jìn)行邊坡開挖的坡比設(shè)計時，坡比值越大，越易造成邊坡滑移面的塑性區(qū)和位移值增加，造成邊坡失穩(wěn)破壞（Komadja 等［18］基于極限平衡法和強(qiáng)度折減系數(shù)的有限元方法，探討了邊坡幾何形態(tài)對穩(wěn)定性的影響，結(jié)果同樣表明邊坡整體坡角和坡高對穩(wěn)定性的影響最大）；②可以增加坡面植被的覆蓋率或者做好排水、防水等工程措施，防止因降雨降低土體的抗剪強(qiáng)度從而導(dǎo)致的邊坡失穩(wěn)破壞［19］。

3 結(jié)語

本文基于ANSYS軟件，以上饒地區(qū)典型黏土質(zhì)邊坡為研究實例，設(shè)計了3 種條件下模型，分析了不同切坡角度和含水率條件下邊坡穩(wěn)定性。結(jié)果表明：

（1）在β ＝30°，w＝28.54%狀態(tài)下，n＝1.188 4處于穩(wěn)定狀態(tài)，在自重作用下不會發(fā)生邊坡失穩(wěn)滑移；當(dāng)坡腳處β ＝44°時，邊坡處于失穩(wěn)臨界狀態(tài)，若β 大于這個臨界角度，易發(fā)生失穩(wěn)滑移。

（2）當(dāng)β ＜40°，土質(zhì)w＜31.5%時，邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)；在β ＝45°，w＞28.54%時，則邊坡失穩(wěn)；β ＝50°時，w＞23.6%，則邊坡失穩(wěn)。

（3）結(jié)合上饒地區(qū)邊坡特征及計算模擬結(jié)果，在預(yù)防黏土質(zhì)邊坡發(fā)生失穩(wěn)滑移上，一方面建議通過降低切坡坡度來有效改善邊坡穩(wěn)定性；另一方面建議增加坡面植被的覆蓋率或者做好排水、防水等工程措施，防止因降雨降低土體的抗剪強(qiáng)度從而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。