陕南地区无黏性土边坡稳定数值模拟★

赵 阳 郭 鸿 苏一辰 屈 晨 杜 宇

(1.陕西理工学院土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000； 2.宝鸡市第一建筑工程有限责任公司，陕西 宝鸡 721006)

陕南地区无黏性土边坡稳定数值模拟★

赵 阳1，2郭 鸿1*苏一辰1屈 晨1杜 宇1

(1.陕西理工学院土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000； 2.宝鸡市第一建筑工程有限责任公司，陕西 宝鸡 721006)

为直观的分析滑坡的细观机理，对陕南地区无黏性土边坡进行了离散元模拟[1]，并利用颗粒流模拟方法，对土体应力应变关系和剪切带形成机理进行了微观数值模拟，将土体微观结构与对应的宏观力学特性结合起来，分析了土体剪切带的形成与发展过程，得出了一些有价值的结论。

滑坡，数值模拟，离散元，颗粒流

0 引言

土坡的失稳破坏过程，不是一个静态过程，而是存在着土块的滑移、翻转和断裂以及土体逐渐变松等较复杂的过程。土体在宏观上具有不连续性以及单个块体运动的随机不确定性，边坡土体的不同位置的力学性质、位移的规律等也不尽相同。所以研究土体的破坏过程并非易事。20世纪70年代提出的离散元法就是一种研究滑坡动力特性的数值方法，它利用颗粒流模拟土坡的变形破坏的过程中从细观上定义颗粒之间的接触关系，该计算过程是边坡内部求得稳定状态的自然调整过程，故不要求具有连续的位移和协调的变形，通过模拟过程便可直观得到边坡的滑倒、开裂的过程，以及最后滑裂面的形状和位置。所以利用离散元法进行模拟很合理，可以说是模拟边坡变形破坏特性的比较理想的途径。本文利用颗粒流对陕南地区砂性土进行了模拟。

1 模型建立

边坡失稳一般是滑动面的剪切破坏。所以，边坡的最大剪应力就成为决定边坡稳定性的最重要的因素之一。本文采用PFC模拟滑坡稳定。和其他建模方法不同的是，PFC建立的模型首先在自重作用下平衡后，再设置强度参数。首先建立高10 m，长20 m的边坡。让其先在自重作用下达到稳定状态，基本模型初始稳定状态(见图1)。接着对矩形边坡基本模型进行3次开挖，每次开挖2 m深度(开挖颗粒是为了产生卸载作用来破坏PFC模型整体性)建立边坡模型，直到边坡达到稳定状态，坡高为6 m，坡角60°。我们为容易观察细小颗粒的移动情况，把土体颗粒隔一定距离设置为不相同颜色，如图2所示。

2 模拟过程及结果分析

边坡的破坏形式受外界因素和内部结构的影响。边坡的开裂、失稳从根本上来讲是土坡本身求得稳定状态的自然修整过程。对土体而言，决定土体稳定的主要因素是其抗剪强度和弱结构面。另一方面，自然作用和人类活动对边界条件的影响也就是改变了土体结构的力学性质。因此，结构对土体稳定有重要影响，有必要基于土体自身结构特点，探索土体的细观参数对边坡稳定的影响规律。

应用数值模拟进行边坡稳定性分析时为使边坡处于临界失稳状态，通常可采用的方法有重力增加法[2]。根据重力增加法的定义，对于PFC模型来说，在模型计算中保持其他参数不变而重力加速度逐渐增加直到边坡达到极限破坏状态。在实际计算中，可以采用二分法的计算方法，快速找到临界加速度。本文提出的PFC边坡模型可以在重力增加法的作用下，自动形成破坏初始滑动面也就是最危险滑动面。

根据宏细观参数的对应关系，对无黏性土坡进行模拟。颗粒体生成后在自重应力下逐渐达到平衡状态，然后删去多余的颗粒形成设定的边坡形状。由于删除颗粒后，底部颗粒应力变化，故需在形成边坡后需要进一步平衡，使边坡达到稳定状态。考虑到计算机的运算能力和精度，本模拟减小了实际土颗粒的数量，即模拟采用的颗粒半径大于实际土颗粒半径。

PFC2d模拟过程见图3～图8。由图可以看出，无黏性土坡中，颗粒首先由坡顶向下运动，然后带动相邻的颗粒继续向下运动，把坡脚处起承压作用的砂粒带动后便使整个坡脚的颗粒向外滑出，继而导致坡面中上部的土颗粒失去支撑作用而发生较大规模的滑动。由于颗粒之间没有粘结力，完全是靠颗粒之间的接触力来维持平衡，当前面的颗粒滑下去后，后面的颗粒在失去支撑后马上滑至前面的颗粒留下的空白处。从模拟过程还可以明显看出来，在刚开始时坡脚出现压密现象，即图中坡下部分的格子距离不断变小，而土坡的中部和顶部表现为受拉即在坡的中部和顶部由上而下开始出现较大的错动，在坡顶出现较明显的滑移—拉裂型破坏面，但是滑坡体内的距离变化并不是很大，坡体底部砂土出现隆起现象。

3 挡土墙模拟

传统的边坡加固设计及处理措施主要是沿线设置点，如抗滑挡墙和抗滑桩，一般说是有效的，其加固作用是提高岩体的整体性和自身的强度，从而达到边坡稳定的目的[3]。在较大规模边坡治理措施的选择时应优先考虑整体性加固措施。本文就采用了挡土墙进行支挡防护，用PFC2d进行了相应的模拟。挡土墙尺寸高2 m，埋深0.5 m，顶部宽0.46 m，底部宽1 m。从图9，图10可以看出添加挡土墙后，施加在墙背的被动土压力不均匀，随着时间的推移，墙背的压力变得均匀，墙后土体的位移也逐渐减小，边坡也逐渐趋向稳定状态，如图11,图12所示。

4 结语

通过资料对本地区土性的基本了解，主要以无黏性边坡为研究对象，利用颗粒流模拟方法，对土体应力应变关系和剪切带形成机理进行微观数值模拟，将土体微观结构和对应的宏观力学特性联系起来，对土体剪切带的形成与发展等进行了解。主要得出了以下结论：

1)从实验结果明显可以看出，可以用颗粒流进行模拟，该模拟过程不需要事先假设滑移面的状态，粒子按照接触力的位置，使其从抗剪强度最小的位置发生破坏。

2)从理论上讲荷载所引起的土坡破坏形式和由于土坡本身抗剪强度不足而引起的土坡破坏的形式有所不同。一般来说由于土体强度不足的破坏，首先是坡脚先开始小的滑坡，最后导致较大的滑坡。其破坏形式为上部拉裂、中部剪切，底部挤压；但是受外部荷载作用而破坏的土体破坏形式有点不同，为上部挤压破坏，中部和底部均为剪切破坏。

3)从颗粒流模拟过程中可以明显看出砂性土坡的破坏具有瞬时突发性，当外荷载达到一定后，突然形成直线型的破坏面。

[1] 胡 徽，陈 华，包文静.边坡稳定性数值分析方法研究进展[J].公路交通科技，2010(8)：65-67.

[2] 周 健，王家全，曾 远.土坡稳定分析的颗粒流模拟[J].岩土力学，2009(1):86-90.

[3] 周伟义,彭衡和,郑祖勇.高速公路路堑边坡治理综合决策[J].公路，2003(1):113-117.

Numerical simulation of slope stability of southern Shaanxi non-cohesive soil★

Zhao Yang1，2Guo Hong1*Su Yichen1Qu Chen1Du Yu1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China；2.BaojiNo.1ConstructionCo.,Ltd,Baoji721006,China)

In order to analyzes the meso-mechanism of landslides, the paper has the distinct element simulation of the non-cohesive soil in Southern Shaanxi areas, adopts the grain flow method to simulation method to have the micro-numeric simulation of the soil stress and strain relationship and mechanism of the shear zones by combining the soil microstructures with the respective macro-dynamic features, analyzes the formation and development of the soil shear zones, and achieves valuable conclusion.

landslide, numeric simulation, distinct element, grain flow

2015-05-25★：陕西省教育厅基金和陕西理工学院创新训练计划基金支持

赵 阳(1992- )，男； 苏一辰(1993- )，女，在读本科生； 屈 晨(1993- )，女，在读本科生； 杜 宇(1992- )，女，在读本科生

郭 鸿(1984- )，男，博士，讲师

1009-6825(2015)22-0061-02

TU413.62

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