不同含石率及坡度條件下土石混合體路塹高邊坡失穩機制分析

■覃國強

（廣西路建工程集團有限公司，南寧 530001）

土石混合體是塊石與土體介質以一定配比混合而成的天然混合物，是經由長期地質作用，如風化、侵蝕、剝離、搬運等地質營力條件下沉積而成的松散堆積體，具體由塊體、礫石與砂土、黏土等多種固體顆粒共同組成。 不同于一般的純土質邊坡，土石混合體邊坡的結構特征為塊石鑲嵌在細粒土中，從而導致邊坡具有極大的不連續性與不均勻性。 我國土石混合體邊坡具有形成概率高、分布范圍廣、規律性差異大等顯著的特點，如該類型邊坡失穩機制不明確，將嚴重影響了我國公路事業建設，帶來巨大的投資風險以及不可預估的安全隱患。 因此，有必要對土石混合體邊坡的變形機理、 破壞特征、滑動誘發機制以及邊坡穩定性進行研究。

國內外研究者采用理論分析、現場試驗、模型試驗、 數值模擬等方法針對土石混合型邊坡穩定性、破壞機理開展了系列研究，并取得了較大的進展。 在室內試驗方面，唐建一等[1]通過大型直剪試驗分析了不同含石率與不同法壓下土石混合體的抗剪強度和剪縮、剪脹特性三者之間的關系；楊忠平等[2]通過室內大型直剪試驗與離散元數值模擬對不同含石率對土石混合體—基巖界面剪切力學特性的影響及接觸面剪切破壞機理進行了研究；夏加國等[3]結合地球物理勘探方法以及圖像處理技術，初步實現了地質精細探測與宏—細觀結構模型的統一。 在塊體建模方法上，主要有數字圖形建模與隨機生成法2 種方法：Zhao 等[4]通過數字圖像處理建立塊體庫，基于改進的交點檢測算法，構建土石混合體邊坡的數字模型，研究不同塊體尺寸分布和巖石含量的土石混合邊坡的穩定性；賀勇等[5]應用數字圖像化處理的方式， 構建了塊石的數字化模型，并運用蒙特卡洛方法隨機生成了特定含石率和級配的土石混合體邊坡模型；吳冠雄等[6]采用Delaunay 三角網格的集聚指數對塊石間空間位置分布關系進行了分析。 此外，一些學者采用數值模擬方式對土石混合體邊坡進行了模擬分析。 如Gao 等[7]通過現場直剪試驗獲得了SRM 邊坡的土強度參數，并利用有限元數值方法模擬了SRM 邊坡的破壞特征和穩定性；劉康琦等[8]采用數字圖像技術構建了土石混合體邊坡模型，并利用強度折減法對土石混合體邊坡變形及穩定性展開了數值分析；陳曉等[9]建立了顆粒離散元數值模型，對比分析了土石混合體邊坡與土質邊坡之間滑面形態及破壞模式；李芬等[10]基于FLAC3D 軟件編制了邊坡穩定性計算的Fish 語言，分析了高邊坡坡體穩定性；金磊等[11]采用三維離散元軟件構建了考慮土石混合體邊坡細觀結構的三維數值模型，研究了巖塊結構、形狀、分布等因素對邊坡穩定性與破壞模式的影響；劉順青等[12]建立了考慮不同含石率和基覆巖層傾角土石混合體的邊坡有限元模型，分析了邊坡的穩定性。 基于前人的研究，本文依托崇左—愛店高速公路項目工程，針對土石混合體路塹高邊坡失穩機制開展研究，分析不同含石率、不同坡角條件下土石混合體路塹高邊坡穩定性，通過數字圖像處理獲取大量與真實巖塊相似的塊體輪廓，建立巖石塊體庫，借助MATLAB 軟件將塊體庫隨機投放在指定區域，并利用FLAC3D 軟件建立高邊坡土石混合體模型，分析多因素下土石混合體路塹高邊坡失穩規律。

1 工程概況

崇愛高速公路位于廣西崇左市， 主線長55.1 km，設計時速100 km/h，路基寬度26 m，為雙向四車道一級公路。 該高速公路各段線路以不同的角度呈弧形或近直線型通過邊坡區，所形成的人工高邊坡一共有30 處，填方路基最大邊坡高度為49.0 m。挖方路基最大邊坡高度為84.51 m。 沿線土石混合體邊坡分布較為廣泛， 邊坡整體呈現上陡下緩，在多年的地質構造作用下，形成了深厚坡洪積不良地質體，極易引發邊坡滑動，在不同環境和施工開挖卸載影響下路塹高邊坡存在極高的失穩風險。

2 模型構建

2.1 隨機塊體模型生成

考慮到塊體尺寸的分布將對土石混合型邊坡失穩機制產生重要影響，所有模型將根據相同的塊石級配曲線和含石率，生成對應的塊石數目，其級配曲線如圖1 所示。 塊體模型生成具體步驟如下：（1）利用數字圖像處理技術采集不同邊坡塊石的樣本并存儲于數據庫內；（2）對采集到的塊石樣本的原始圖像進行識別、重生成等預處理，利用Photoshop軟件將單獨分割的塊石圖片進行灰度處理，使用MATLAB 的fspecial 和imfilter 函數對圖像進行平滑處理，降低了圖像的噪聲；（3）進行二值化處理，將圖像背景設置為白色，黑色填充塊石內部；（4）利用MATLAB 中內嵌的Canny 邊緣檢測算法提取邊緣點的像素點，即獲得塊石邊緣各點的精確坐標，將由Canny 算法所獲得的邊界像素點采用平滑化樣式處理，得到由多段直線段共同組成的輪廓邊界；（5）將所有的塊石樣本的長軸、水平夾角、短軸長度、形心坐標進行規則化處理，最終由這些石塊輪廓組成塊體庫。 在塊石已存在的情況下，利用MATLAB 編寫程序進行蒙特卡羅模擬，從塊體庫中提取石塊輪廓在邊坡區域內隨機生成。 當計算得到的含石量（各塊石面積之和/邊坡模型整體面積）與輸入的額含石量相對應，利用“while”命令循環停止提取，允許誤差在±2.5%。并且需要保證塊體隨機分布時塊體之間不發生重疊，塊體與邊坡邊界不發生交叉，避免模型無法運行與塊體面積損失。

圖1 塊石級配曲線

2.2 邊坡模型構建

為了完成三維模型創建，將所有MATLAB 輸出文件替換成腳本文件，以便于在AutoCAD 軟件中呈現，并以DXF 格式保存，最后將DXF 文件導入到Rhino，根據所需含石率要求和Rhino 軟件的面積計算功能，對模型進行修正，沿厚度方向拉伸0.5 m，形成準三維邊坡模型。 模型創建好后，進行網格劃分，網格采用以六面體網格為主，局部為四面體網格的方式，設置最小邊緣長度為0.3 m，最大邊緣長度為1 m，使用Rhino-to-FLAC3D 接口程序生成網格文件，最后導入到FLAC3D，如圖2 所示。 對模型設置邊界條件，模型頂部為自由邊界，底部為固定約束，四周采用法向約束，在自重作用下，達到平衡獲得自重應力場。 石塊和土體均采用摩爾—庫倫模型，各組分物理力學參數如表1 所示。 為確保模型結果的可靠性，消除隨機誤差，對每個相同坡度和含石量的模型，隨機構建3 個邊坡模型，即同一條件下，共進行3 次穩定性分析。

表1 土石混合體邊坡物理力學參數

圖2 土石混合體邊坡幾何模型

在計算土石混合體邊坡穩定性時，目前常用的有限元及有限差分軟件主要采用強度折減法。 由于邊坡強度主要取決于其有效粘聚力c 和有效內摩擦角φ， 因此強度折減法是將邊坡的粘聚力c 和內摩擦角φ 除以逐漸增大的折減系數， 通過連續試算，當計算致邊坡無法維持自身穩定時，即到達臨界失穩狀態時，則該邊坡的安全系數即為此時折減系數，具體公式如下：

式（1）、（2）中，ctrial、φtrial為土體折減后的有效粘聚力與有效內摩擦角；Ftrial為折減系數；c、φ 為巖土體折減前的粘聚力、內摩擦角。

在有限元分析中判斷邊坡達到臨界失穩狀態主要有以下3 種情況：（1）以模型計算是否能夠收斂或完全計算作為評價標準，當軟件無法繼續收斂時，可表示此時邊坡已達到臨界失穩狀態；（2）以邊坡的坡頂或坡腳處一節點出現大變形或隨時間發展的位移拐點作為評價標準；（3）以邊坡計算云圖中土體介質是否出現連續且貫通的塑性區作為評價標準。

3 穩定性分析結果

3.1 不同含石率

采用FLAC3D 軟件分別對0%、10%、20%、30%、40%、50%含石率的土石混合體邊坡在自重荷載下進行分析。 圖3 為不同含石率剪切帶和位移云圖，圖4 為不同含石率塑性區分布圖。 圖5 為不同含石率安全系數平均值。由圖3、4 可知，0%、10%的低含石率邊坡模型其剪切帶為圓弧形，而隨著含石率的增加，土石混合體邊坡內部土體介質塑性區的形成規律發生了很大變化，表現為塑性區分布不均勻、塑性區被塊石截斷的現象。 土石混合型邊坡在穩定狀態下存在潛在的剪切滑動面，在邊坡強度受到折減后該滑動面開始發育， 與純土質邊坡相比，滑動面將由單一、光滑的圓弧形滑動面逐漸變為多條曲折、較窄、繞石的滑動面，并與1 條較寬的主滑裂面相接。 土石混合體內部的土體介質難以形成自下而上連續貫通的剪切滑動面或塑性區。

圖3 不同含石率剪切帶和位移云圖

圖4 不同含石率塑性區分布圖

圖5 不同含石率安全系數平均值

隨著塊石含量的增加， 土石混合體邊坡的抗滑安全系數整體上逐漸提高。 但從定量角度分析：（1）當邊坡塊石含量處于30%以下時，邊坡整體強度主要取決于土體介質自身的強度，此時塊石分布較為分散，因此塊石與土體介質之間的相互作用部分相對于整體邊坡而言偏少，塊石阻礙土體塑性區貫通的趨勢不足。 也就是說，在低含石率邊坡情況下，塊石含量的增加對邊坡整體穩定性提升效果不明顯， 安全系數隨塊石含量增加的提升較為緩慢。（2）當坡體塊石含量介于40%～50%之間，隨塊石含量的增加，填充于土體之間的塊石逐漸接觸并發生相互作用，此時土體和塊石共同承擔坡體荷載。 因塊石抗剪強度遠高于土體介質，在同等荷載條件下塊石受力達不到其塑性狀態，因此使得土體塑性區不易貫通。 即在高含石率的情況下，邊坡整體強度主要偏向于塊石與土體介質之間的共同作用。 塊石與土體介質的混合形成一種類似混凝土材料的不同粒徑混合體，由塊石充當混合體的主要骨架承受荷載，土體介質作為粒徑較小的物料充填在受力骨架的孔隙間作為傳力介質，當塊石與土體介質配合比達到一定量時，邊坡穩定性將迅速提升。 （3）在一定的含石率條件下，邊坡塊石含量的提高對邊坡的抗滑穩定性更加有利。 在重力作用下，土體會隨滑移面剪切，從而形成剪切帶，然而在重力的作用下不足以使巖石發生剪切，因此剪切帶在遇到巖石時產生繞石及分叉繞石效應。 根據坡體中塊石空間位置分布不同，土石混合體邊坡的剪切帶可能會呈現出3 種較為典型的發育模式， 即 “分流”“包含”和“繞石”模式。 其中“分流”模式因遇石分叉，使剪切帶沿著原先的圓弧線輻射開來，導致剪切帶范圍的擴大；“包含”模式是導致土石混合體邊坡產生多滑動面的主要原因；“繞石”模式，改變了剪切帶的位置，引起坡體剪切帶的偏移。

3.2 不同坡度

基于30%含石率條件下，改變坡度，分別設置30°、35°、40°、45°、50°、55°的土石混合體邊坡模型。在保持坡頂與坡高不變的前提下伸長基底，從而滿足坡度變化條件。 圖6 為不同坡度剪切帶和位移云圖，圖7 為不同坡度安全系數平均值。由圖6 和圖7可知，隨著坡度的增加，邊坡的安全系數逐漸降低，其剪切帶的范圍逐漸增大，由坡角向坡頂處逐漸延伸，且坡底的集中應力也隨之增大。

圖6 不同坡度剪切帶和位移云圖

圖7 不同坡度安全系數平均值

隨著坡度的增加，土石混合體邊坡的抗滑安全系數逐漸降低。 在坡度較低時，邊坡的自重應力較小，邊坡的滑動力較小，安全系數較高。 隨著坡度的增加，在自重應力增加的同時，自重應力的切向分量比例也逐漸增大，此時邊坡維持當前穩定狀態更偏向于依靠自身粘聚力，當外部荷載來臨，導致邊坡強度下降時，即內摩擦角、粘聚力被折減，此時相對于坡度較緩的邊坡，高坡度邊坡更容易形成貫通滑動面，導致邊坡的抗滑安全系數逐漸降低。 相對于土質邊坡，土石混合體邊坡中存在塊石，在一定程度上提高了邊坡穩定性，但相對于坡度增大所引起的滑動力，土石混合體所形成的抵抗變形效應尚且不足。 因此，盡管隨著坡度的增加，模型的分叉繞石效應逐漸加強，但仍然導致土石混合體邊坡產生多滑動面。 坡度的增加將導致邊坡穩定性降低，而通過消減邊坡坡度將有利于提高邊坡穩定性。

4 結論

（1）相同坡度角條件下，由于石塊的存在會產生“繞石”效應，隨之邊坡的含石率變化，坡度的安全系數也隨之變化。 在低含石率的情況下，石頭起到的作用較小，土石混合體邊坡穩定性與土質邊坡的穩定性相似。 當含石率高于30%時，邊坡的剪切帶發生分叉，塑性區向內偏移，顯著提高了邊坡的穩定性。 （2）相同含石率條件下，隨著坡度的增大，土石混合體邊坡的安全系數大幅度下降，邊坡的穩定性也隨之下降。 塊石的存在在一定程度上提高的邊坡的穩定性，但由于坡度的升高，坡體的滑動力大幅度提高，導致了邊坡失穩。 （3）針對路塹土石混合體高邊坡首先要注意其坡度， 當其坡度較大時，要考慮多級放坡與削坡， 以減小坡體產生的滑動力。 相對于土質邊坡，土石混合體石塊的存在有利于提高邊坡穩定性，可以減少削坡工程量。