含氰土壤的筑堆邊坡穩定性研究

筑堆邊坡失穩是指在一定范圍內，邊坡沿坡內較為軟弱的部位發生移動，從而破壞筑堆整體穩定性的現象。邊坡失穩會引發嚴重的地質災害，帶來較大的經濟損失，甚至帶來嚴重的人身安全事故，還有可能對環境產生污染。氰化物具有很強的毒性，可以通過多種途徑進入人體，使中樞神經系統癱瘓引發呼吸困難，甚至導致死亡[1]。因此，研究含氰土壤邊坡穩定性，保證筑堆安全，具有重大意義。

目前，用于模擬邊坡穩定性的技術有很多，但都存在一些缺陷，如有限元有變小的假設、需要較大內存等[2]，FLAC3D模擬軟件模擬方法彌補了以上缺點，使得其廣泛應用于巖土工程、降雨模擬等領域[3]。史緒鑫[4]采用FLAC3D軟件對邊坡穩定性安全系數以及滲流方面的問題進行了模擬研究；王玉玨[5]利用FLAC3D數值模擬方法分析堆浸場邊坡在排土為68～84 m高度下邊坡穩定的安全系數、塑性區、最大位移，最大不平衡力和潛在滑移面的位置，結果證實堆浸場整體上處于穩定狀態。

本文以20 000 m3含氰土壤修復工程為基礎，采用FLAC3D數值模擬方法，建立堆場模型，根據堆場的土力學參數模擬堆場的邊坡安全系數、塑性區、潛在滑移面、最大位移和最大不平衡力，分析堆場整體的穩定性，為含氰土壤的修復工程提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 含氰土壤

天津某含氰土壤的修復工程，采用筑堆淋洗修復方法。土壤堆場分為兩部分，上部為散體物料，下部為基底，形狀為梯形，堆場長153 m×寬60 m，下底120 m×60 m，上底110 m×45.2 m，上底長45.2 m，筑堆總量為20 784 m3，堆場總高度為5.8 m，散體自然安息角為35°，為保證淋洗過程中堆體的淋洗液可以快速滲濾通過，將堆場基底整體抬高0.6 m，中間最高點高度達到4.8 m，場地坡度為8°。

土壤模擬參數采用實測和文獻檢索相結合的辦法，其中干密度、濕密度、楊氏模量、黏聚力、內摩擦角、滲透系數、水的體積模量和孔隙率采用實測方法[6]，泊松比采用文獻檢索方法[7～10]。見表1。

表1 土體力學參數

1.2 試驗方法

采用FLAC3數值模擬軟件對含氰土壤的筑堆邊坡穩定性進行模擬分析，見圖1。模型的邊界條件：固定模型側邊方向速度，底面限制垂直方向位移，上部為自由面并對模型中所有節點的Y方向速度進行約束，以便等效地進行平面應變分析。

圖1 FLAC3D 5.0建模

不考慮堆場前后Y方向的位移，建立了筑堆邊坡穩定性分析幾何模型。模型為左右對稱結構，試驗選取堆場邊坡左側的剖面，在坡面選取了3個位移監測點進行分析，見圖2。

圖2 土堆邊坡幾何模型及監測點

2 結果與討論

2.1 堆場位移

應用FLAC3D數值模擬軟件計算3個監測點的位移，見圖3-圖6。

圖3 監測點水平方向位移曲線

從圖3可以看出：在水平方向上①號監測點最穩定，位移為0；②和③號監測點的位移隨計算步數的增長趨于穩定，②號監測點最大位移為2.8 cm，③號監測點最大位移為1.4 cm；變化最大的是②號監測點，但其位移很小，可認為在水平方向是穩定的。

圖4 監測點豎直方向位移曲線

從圖4可以看出：在豎直方向上①號監測點最穩定，位移為0；②和③號監測點都隨計算步數的增長趨于穩定，②號監測點最大位移為3.3 cm，③號監測點最大位移為7.0 cm；變化最大的是③號監測點，但相對土壤堆場整體而言，位移較小，可認為在豎直方向是穩定的。

圖5 邊坡水平方向位移等值線

從圖5中可以看出：位移最大部位集中在堆場土體的堆積體內，在3 cm左右。導致這種結果的原因主要是：堆場較高，土體物料的楊氏模量較低。

圖6 邊坡豎直方向位移等值線

從圖6可以看出：位移最大部位集中在堆場土體的上方，在10 cm左右。主要原因是堆場受自身重力影響而出現固結沉降的現象。

2.2 堆場最大不平衡力

最大不平衡力是數值計算迭代過程中產生的系統內外力之差[11]，在靜態求解模式中用于判斷堆場是否達到平衡狀態，如果模型網格的每個節點力都為0，那么模型達到絕對的平衡狀態[5]。應用FLAC3D進行數值分析，獲得含氰土壤堆場的最大不平衡力曲線，見圖7。

圖7 最大不平衡力曲線

從圖7中可以看出：隨著計算步數不斷增加，污染土壤的最大不平衡力逐漸減小，當計算步數到2004時，最大不平衡力趨于0，說明體系實現了力的平衡狀態[12]，不再發生滑坡。

2.3 堆場塑性區

邊坡失穩破壞一般發生在強度軟弱帶或應力集中區，這部分區域土體單元會發生不同程度的塑性形變，假如發生塑性形變的區域互相貫通[13]，就說明邊坡會在互相貫通的區域內發生失穩及破壞。故可以基于塑性區互相貫通判斷邊坡是否會發生失穩及破壞[14～15]。含氰土壤堆場的塑性區見圖8。

圖8 塑性區

由圖8可以看出：堆場模型只是曾經進入過拉伸屈服狀態，但已經退出，并沒有產生互相貫通的塑性區，故邊坡整體處于穩定狀態。

2.4 堆場潛在滑移面與安全系數

堆場潛在滑移面見圖9。

圖9 潛在滑移面

從圖9可以看出，在剪切應變增量過程出現了坡體的最軟弱部位，也就是最易沿此面損壞失穩的部位，即圖9中位于堆場左側坡頂的紅色區域，范圍很小。用強度折減法獲得邊坡穩定性系數為3.85，根據規范要求[16]，安全系數≥1.25為穩定狀態。結合以上結果分析，表明邊坡整體處于穩定狀態。

3 結論

應用FLAC3D數值模擬方法建立了堆場模型并分析了堆場在5.2 m高下的邊坡安全系數、塑性區、潛在滑移面、最大位移和最大不平衡力，模擬結果發現：在堆載高度5.2 m下，堆場塑性區和潛在滑移面沒有貫通、計算收斂、無位移突變且FLAC3D數值模擬方法計算所得的安全系數值為3.85，堆場整體處于穩定狀態，不會產生滑坡，表明在此筑堆條件下，可開展污染土壤的淋洗修復工程。