堆積體邊坡突變失穩特性的離散元模擬分析

汪儒鴻，周海清，彭國園

(1.陸軍勤務學院 軍事設施系, 重慶 401331； 2.西北核技術研究所, 西安 710024)

我國是一個地質災害發生較為頻繁的國家，據我國地質災害特點與規律的統計，我國的滑坡與泥石流災害 70%以上與堆積體邊坡的變形破壞直接或間接有關，政府和社會為治理這些地質災害投入了大量的工程經費。在邊坡的破壞型式中，以花崗巖殘積土邊坡為代表的部分堆積體邊坡破壞作用特別巨大，它發生和進行非常迅速，破壞前沒有明顯變形跡象，缺乏災變預兆。為突出這類破壞與普通滑坡的區別，可將其稱之為邊坡的突變失穩。2010年9月1日在云南省保山市隆陽區瓦馬鄉河東村發生了一起土質滑坡，該起災害發生突然，災前沒有明顯的變形跡象，因此坡下的村民沒有引起警覺。滑坡啟動后下滑快速，解體嚴重，破壞力巨大，導致48人的死亡和失蹤。

類似的滑坡并不鮮見，如2011年廣西全州縣洛江村發生的滑坡，2013年1月11日云南省鎮雄縣發生的滑坡等等，都具有突發、快速、解體嚴重的特點。而在目前的災害防治體系中對邊坡的突變失穩破壞尚無明確定義，更沒有統一的失穩評判標準。與之相近的災害諸如紅色問題土中的崩崗[1]、滑坡現象以及黃土邊坡中常見的滑塌[2]現象均帶有突變失穩的部分特征，但又不能同一而論。例如花崗巖殘積土邊坡的路塹邊坡就常見沿軟弱結構面的多滑面破壞，兼具災前位移變形較小，解體嚴重的破壞特征。目前與邊坡突變失穩相關的研究以花崗巖殘積土邊坡及黃土邊坡的研究為主：林威[3]通過對花崗巖殘積土微觀結構及工程特性的研究，得出的結論為土體結構性的存在增強了土體抵抗外荷載破壞的能力，但一旦結構受到破壞邊坡穩定性就會急劇下降；劉邦安[4]通過對人工制備結構性土進行室內邊坡實驗發現，結構性土邊坡的靜力破壞具有均勻變形不明顯，表現出一定脆性破壞的特征；文獻[5-7]對黃土邊坡穩定性的研究同樣反映出結構性的存在使得黃土邊坡在失穩過程中表現出突發性的特點，給該類邊坡災害的合理預防帶來了較大困難。然而，以上研究均沒能完整定義出堆積體邊坡的突變失穩特性，更無法對其特殊破壞現象加以量化分析。為提高對這類邊坡災害的認識，掌握其失穩發育的內在機理及規律，利用Pfc2D顆粒離散元軟件對堆積體邊坡的突變失穩特性進行了數值模擬，結合邊坡破壞過程中土顆粒黏結強度的變化以及對坡體孔隙率的監測，量化分析堆積體邊坡的突變失穩特點，多角度將其與普通滑坡進行了區分，重點討論了災害成因及工程防范辦法。

1 堆積體邊坡突變失穩特性的二維離散元模擬

周健[8]張小雪[9]等人利用顆粒離散元軟件對各類土質邊坡穩定性的研究指出：土性對邊坡的破壞型式有很大的影響。隨著顆粒黏性的增大，邊坡破壞類型從塑性破壞向脆性破壞過渡。而相關花崗巖殘積土力學特性的研究[3]也表明其天然原狀土具有較強的結構性強度，如表1所示。

表1 花崗巖殘積土基本物理力學參數

結合以上研究來看，選用接觸黏接模型[10]作為數值模擬過程中土顆粒的微觀接觸模型最有可能模擬出邊坡的突變失穩現象。因此，將顆粒之間具有一定黏接強度的邊坡模型稱為實驗組模型。同時，為突出邊坡突變失穩與普通滑坡在位移變形、裂隙發育等特征上的區別，另設置一組對照組模型。對照組模型在實驗組模型的基礎上，僅改變土體的黏接強度使之為零，其余土性參數均與實驗組模型相同，目的在于模擬無粘性砂土邊坡的滑坡失穩現象[10]。

1.1 算例說明

1.1.1 模型尺寸及相關參數選擇

以某處花崗巖殘積土邊坡作為參考對象，搭建PFC2D計算模型如圖1所示：邊坡垂直高程為15 m，坡角約為63°。為方便觀察邊坡的變形及破壞，每隔一定距離給粒子上色，選取坡腳B點及坡頂A點兩處特征點。由于當前還沒有統一的方法確定離散元顆粒細觀參數與宏觀屬性的定量對應關系，應用最多的是通過雙軸壓縮試驗和巴西盤拉伸試驗不斷調整微觀參數與宏觀特性，最終匹配得到合理的細觀參數[11-12]。該過程相對復雜，且相關研究較多，不作為本文研究重點，僅列出本文實驗組模型的顆粒微觀參數如表2所示。

1.1.2 邊坡破壞方式

本次數值模擬的目的在于模擬堆積體邊坡的突變失穩特性并將其與普通滑坡進行對比，不需要對邊坡穩定性加以詳細分析，只需要觀察到具有代表性的邊坡破壞特征即可。因此，對以上兩組邊坡均在原始模型的基礎上解除A、B兩點位置所在的三處邊界限制以模擬人工開挖對邊坡造成的影響，再采用重力增加法使其失穩，直至邊坡出現明顯的破壞特征。

表2 實驗組邊坡顆粒微觀參數

1.2 邊坡破壞特征對比

圖2所示為兩組邊坡失穩初期對比圖，圖2(a)為實驗組邊坡，圖2(b)為對照組邊坡。可以發現：對照組邊坡在失穩初期位移變形較大，坡腳及坡頂都有明顯的土體滑動；實驗組邊坡雖然整體位移變形較小，但邊坡內部出現了巨大裂隙；圖3所示，為兩組邊坡失穩中期對比圖，圖3(a)為實驗組邊坡，圖3(b)為對照組邊坡。實驗組邊坡在破壞過程中伴隨著坡頂裂隙不斷發育及大量土體崩塌，坡腳處也產生較大后緣張拉裂隙。邊坡破壞過程更加類似于逐級傾覆式的巖坡崩塌，有明顯的脆性破壞特征，基本觀察不到單一完整的滑面，說明邊坡破壞并不是以滑動為主。相比之下，對照組邊坡整體位移變形更大，除坡頂出現較小的張拉裂縫以外，整個坡體基本無較大裂隙產生，邊坡土體呈現出更加明顯的塑性流動特征。

1.3 特征點粒子位移對比

邊坡失穩過程中坡腳及坡頂位置往往最先出現位移變形。結合之前兩組邊坡的失穩模擬效果，對各自模型邊界釋放之后坡頂特征點A點的Y坐標及坡腳特征點B點的X坐標進行實時監測，并生成坐標-時步圖以觀察邊坡的位移變形規律。需要說明的是：數值模擬的計算時步并不對應真實時間，但可以反映時間的線性變化，所以可以用來分析邊坡破壞隨時間的發展情況。兩組邊坡特征點坐標監測情況如圖4、圖5所示。

從坡頂特征點A點的Y軸坐標來看：實驗組邊坡失穩初期A點粒子在Y方向的位移較小，但自15 000時步之后，該點在豎直方向的坐標迅速下降，說明坡體存在小變形到大變形的突變。從坐標下降的斜率來看，其失穩后的變形速度比對照組邊坡更快；對照組邊坡由于邊界條件解除，在應力釋放的瞬間邊坡同樣即刻失穩，但失穩后坡頂一直保持著相對穩定的變形速度。

從坡腳特征點B點的X軸坐標來看：實驗組邊坡B點的X坐標在一個區間內不斷振蕩，說明邊坡失穩并沒有導致坡腳粒子發生無限位移，結合圖3(a)的破壞示意圖，很有可能坡腳發生了局部崩塌使得該位置的粒子呈復雜的位移狀態，導致坐標反復振蕩，而不是單純向前運動；相比之下，對照組邊坡的坡腳粒子具有明顯無限位移的特點，說明整個坡體呈現塑性流動狀態，后面的粒子推動前面的粒子不斷向前運動。

1.4 結果分析

結合實際經驗來看，對照組邊坡的破壞模式使坡體在徹底破壞前容易積累位移變形，對監測預警有利；而實驗組邊坡表現出一定的突變失穩特征，災前位移變形較小，邊坡徹底失穩發生比較突然，不易提前防范，容易造成巨大破壞。因此，可將堆積體邊坡的突變失穩特性定性定義為：邊坡突變失穩是一種災前位移變形較小，邊坡徹底失穩破壞前伴隨著大量裂隙發育，破壞過程中并非形成單一滑面有嚴重崩塌解體現象的自然災害。

2 堆積體邊坡突變失穩成因分析

通過PFC2D的可視化技術，在數值模擬過程中可實現對邊坡粒子速度、方向、位置等信息的實時監測。結合之前對邊坡失穩特征的數值分析，此類災害最大的特點在于其具有一定的突發性。由于邊坡徹底失穩前坡體的位移變形較小，不利于觀察，一旦完全失穩就會迅速崩塌解體，造成巨大破壞。因此需要對其破壞規律展開監測量化分析，找出合理的預防手段。

從外在因素來看，導致邊坡失穩破壞的原因通常包括人工開挖、降雨入滲等等[13]；從邊坡內部條件分析，天然裂隙及軟弱夾層的存在也是導致邊坡失穩的潛在因素[14]。結合數值模擬結果：邊坡在突變失穩過程中表現出大量張拉裂隙的產生，裂隙發育與失穩幾乎同時。相比之下，正常的滑坡在均質土坡中產生的張拉裂隙相對較少。因此，對觀察到邊坡裂隙發育最多的區域進行孔隙率的實時檢測，監測結果如圖6、圖7。

從監測結果來看：實驗組邊坡監測區域的坡體孔隙率同樣經歷了一個突變，且突變的時間點稍早于坡頂粒子縱坐標的突變點，說明邊坡的裂隙發育在邊坡徹底失穩變形之前，發生突變失穩的邊坡在內外界條件影響下坡體內部會產生大量原生或次生裂隙。相比之下，對照組邊坡一直處于孔隙率的穩定變化中，這是因為邊界釋放后坡體顆粒在失穩過程中微觀接觸不斷被破壞，相互間變得更加松散，并且坡頂不斷出現粒子滑落，導致監測區的孔隙率在初期一直穩定變化，沒有大的突變，坡體也沒有大的裂隙形成。因此，可基本認為堆積體邊坡的突變失穩現象與邊坡的裂隙發育有關。

3 突變失穩災害的工程防范辦法

本文以均質土坡為主要研究對象的數值模擬結果驗證了邊坡突變失穩并不僅僅包含滑坡，而是兼具崩塌、解體等現象。一個合理的假設就是：內部裂隙的發育及累積是導致邊坡突變失穩的主要原因。對部分土質邊坡而言，邊坡失穩之后并不會立即形成滑面并沿著滑面下滑，而是在內部累積大量裂隙后才會迅速失穩，表現出突發性。相關研究亦從一定角度驗證了該假設的合理性：吳能森等[15]的研究指出花崗巖殘積土邊坡的因臨空面形成、大氣作用形成的張拉裂隙容易導致路塹邊坡突然失穩；阮林龍等[16]的研究認為花崗巖殘積土邊坡的原生裂隙及次生裂隙對該類邊坡的穩定性起決定作用，而該類邊坡通常具有災前預兆不明顯、突發性強的特點。因此對有可能出現突變失穩破壞的堆積體邊坡，對坡體裂隙的實時監測以提前預警是有效的防范辦法。在工程實踐中，對隱患邊坡應該采取大范圍的地表裂隙篩查，對重點地段如邊坡坡頂采取地質雷達探傷以提前獲得邊坡失穩前內部結構面出現張裂、深部裂隙發育等等信息，做到提前預警，及時防范。

4 結論

結合PFC2D顆粒離散元軟件，對堆積體邊坡的突變失穩現象進行了數值模擬以及初步的量化分析，得到結論如下：

1) 部分堆積體邊坡存在突變失穩特性，在失穩破壞過程中表現為災前位移變形較小，發展速度較快，并非形成單一滑面而是兼具崩塌解體特點。

2) 堆積體邊坡突變失穩災害的產生與坡體內部的裂隙發育密切相關。由于邊坡徹底失穩破壞前會積累產生大量的原生或次生裂隙，因此，對具有突變失穩隱患的堆積體邊坡，在外界擾動影響較大的情況下，可通過地質探傷儀等儀器對邊坡裂隙進行實時監測，提前預警以起到防范的作用。

[1] 張大林,劉希林.崩崗泥砂流粒度特性及流體類型分析——以廣東五華縣蓮塘崗崩崗為例[J].地球科學進展,2014(7):810-818.

[2] 唐亞明,馮衛,李政國.黃土滑塌研究進展[J].地球科學進展,2015(1):26-36.

[3] 林威.花崗巖殘積土結構性與邊坡穩定分析[D].福州：福州大學,2014.

[4] 劉邦安.結構性土坡與粘性土坡的動力變形和破壞特性研究[D].北京：清華大學,2008.

[5] 宋朋燃.黃土邊坡沖刷破壞特征及數值模擬[D].長春：吉林大學,2013.

[6] 韓佳明.降雨入滲下黃土邊坡破壞機理及減災技術研究[D].西安：西安科技大學,2015.

[7] 言志信,郭斌,張學東,等.黃土邊坡動力響應分析[J].防災減災工程學報,2012(5):629-635.

[8] 周健,王家全,曾遠,等.土坡穩定分析的顆粒流模擬[J].巖土力學,2009(1):86-90.

[9] 張小雪,王濱生,遲玉鵬,等.邊坡穩定分析的顆粒流方法研究[J/OL].哈爾濱工程大學學報,2015(5):666-670.

[10] 高井望.PFC邊坡模型構建問題研究[D].長春：吉林大學,2014.

[11] 萬江.基于PFC2D邊坡失穩破壞研究[J].施工技術,2016(S2):92-94.

[12] 王培濤,楊天鴻,于慶磊,等.節理邊坡巖體參數獲取與PFC～(2D)應用研究[J].采礦與安全工程學報,2013(4):560-565.

[13] 錢偉偉.降雨與人工開挖對青島某邊坡穩定性影響及治理研究[D].青島：中國海洋大學,2008.

[14] 殷宗澤,袁俊平,韋杰,等.論裂隙對膨脹土邊坡穩定的影響[J/OL].巖土工程學報,2012(12):2155-2161.

[15] 吳能森.結構性花崗巖殘積土的特性及工程問題研究[D].南京：南京林業大學,2005.

[16] 阮林龍,葉興軍.花崗巖殘積土邊坡破壞及防護[J].巖土工程界,2009(12):61-64.