接触带土层软化对排土场边坡稳定性的影响分析

陈泰浩，刘顺青，徐一鸣，陈 杰

(1.保利长大工程有限公司，广东 广州 510620；2.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212005)

排土场边坡是一种由人类活动而形成的渣土混合体边坡[1-2]，随着我国城市建设进程的迅速发展，排土场边坡广泛分布于城镇、矿山、道路等人类活动区附近。排土场边坡失稳会对人民生命财产造成严重影响[3]。因此，为保证排土场边坡的运营安全，防止引发滑坡等地质灾害，需要对排土场的边坡稳定性现状进行分析评价。排土场通常由上部渣土层和下部基底两部分构成。排土场的废弃物通常为渣土混合体，基底可为土或基岩[4-5]。当排土场基底为基岩时，因上部的渣土混合体渗透系数较大，下部基岩渗透系数很小，常常会在基岩面处形成一滞水层。排土场上部渣土层和下部基岩面接触处的土体常常因滞水而形成一定厚度的软化接触带。近年来，很多国家的排土场因软化接触带的存在而发生滑坡[6-9]，国内外很多学者对含软弱基底排土场的滑坡机理进行了研究[10-15]，但目前已有的成果都未系统考虑接触带软化特性对排土场边坡稳定性的影响。

本文通过构建含软化接触带排土场边坡的数值分析模型，系统分析堆填角度、基岩倾角、软化接触带厚度以及接触带软化程度对排土场边坡稳定性的影响规律，并通过具体的排土场边坡实例验证本文分析方法的可行性。研究结果可为各类排土场边坡的设计及稳定性评价提供参考依据，具有实际工程意义。

1 含接触带排土场边坡数值模型的建立

本文采用有限元极限分析程序OPTUM G2[16]建立含软化接触带排土场边坡的数值模型，计算分析模型如图1所示。

图1 含软化接触带排土场边坡计算模型图Fig.1 Calculation model diagram of dump slope containing soft contact zone

排土场边坡稳定性计算时“渣土”、“接触带”、“基岩”的本构模型均采用摩尔-库伦模型，具体的计算参数如表1所示。

表1 排土场边坡计算参数

有限元极限分析软件OPTUM G2在计算排土场边坡稳定性时，采用强度折减法，边坡的安全系数为：

(1)

式中，ccr和φcr为排土场边坡处于临界滑动状态时岩土体的黏聚力和内摩擦角，c和φ为正常岩土体的黏聚力和内摩擦角。

图2中给出了采用有限元下限法计算排土场边坡安全系数的分析流程。安全系数上限法与此类似，上限解输出改为Fsmax。TOL为收敛精度，论文中取0.001。

图2 排土场边坡有限元下限安全系数的分析流程Fig.2 Analysis flow of lower limit safety factor of dump slope

2 堆填角度对排土场边坡稳定性的影响

为分析堆填角度对排土场边坡稳定性的影响，选取软化接触带的厚度为0.5 m，基岩倾角为0°，堆填角度分别为21.8°(坡比1∶2.5)、26.6°(坡比1∶2)、33.7°(坡比1∶1.5)、45°(坡比1∶1)，对边坡稳定性进行分析，计算结果如图3所示。从图3中可以看出，当排土场渣土层的堆填角度在21.8°～45°变化时，排土场边坡的下限安全系数从1.787降低到1.143，上限安全系数从1.842降低到1.185，减小幅度都约为36%。可见，随着渣土层堆填角度的增大，排土场边坡逐渐由稳定状态向不稳定状态转变，安全系数变化幅度较大，因此在渣土层堆放时，应选择好合适的堆填角度。

图3 不同堆填角度下排土场边坡下、上限安全系数Fig.3 Lower and upper limit safety factor of dump slopes under different landfill angles

分别选取堆填角度为21.8°及45°时排土场边坡的下限剪切耗散(塑性变形指标)进行研究。从图4、图5中可以看出，含软化接触带的排土场边坡滑动时，滑动面都穿过软化接触带，并且随着堆填角度的增大，滑动圆弧穿过软化接触带的长度逐渐减小，其安全系数也逐渐减小。其他堆填角度下的下限剪切耗散图与此类似，不再列举。

图4 堆填角度为21.8°时排土场边坡的下限剪切耗散图Fig.4 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope when landfill angle is 21.8 °

图5 堆填角度为45°时排土场边坡的下限剪切耗散图Fig.5 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope at landfill angle of 45°

3 基岩倾角对排土场边坡稳定性的影响

为分析基岩倾角对排土场边坡稳定性的影响，选取堆填坡比为1∶2，软化接触带的厚度为0.5 m，基岩倾角分别为0°、2°、4°、6°、8°、10°，对边坡稳定性进行分析，计算结果如图6所示。

图6 不同基岩倾角下排土场边坡下、上限安全系数Fig.6 Lower and upper limit safety factor of dump slopes under different dip angles of bedrock

从图6中可以看出，当排土场的基岩在0°～10°变化时，排土场边坡的下限安全系数从1.584降低到1.391，上限安全系数从1.632降低到1.438，减小幅度都约为12%。

4 软化接触带厚度对边坡稳定性的影响

为分析软化接触带厚度对排土场边坡稳定性的影响，选取堆填坡比为1∶2，基岩倾角为0°，软化接触带厚度分别为0.1、0.3、0.5、0.7、0.9 m对边坡稳定性进行分析，计算结果如图7所示。从图7中可以看出，当排土场边坡软化接触带厚度在0.1～0.9 m变化时，边坡的下限安全系数从1.619降低到1.540，上限安全系数从1.666降低到1.597，减小幅度都约为5%。可见，软化接触带厚度对排土场边坡稳定性的影响较小。

图7 不同软化接触带厚度下二元结构边坡下、上限安全系数Fig.7 Lower and upper limit safety factor of dump slopes under different thicknesses of softening contact zones

5 接触带软化程度对边坡稳定性的影响

为定量分析接触带软化程度对排土场边坡稳定性的影响，定义接触带土体的软化度η：

(2)

式中，f软化土体、f土体分别为接触带软化土层及未软化土层的土体参数。

根据已有的研究[17]，对边坡稳定性影响较大的土体参数为黏聚力及内摩擦角，所以本文重点考虑黏聚力和内摩擦角的软化。为了便于分析，采用相同的软化度对黏聚力和内摩擦角进行折减。排土场边坡稳定性分析时，选取堆填坡比为1∶2，基岩倾角为0°，软化土层厚度为0.5 m，软化度η分别取1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2，计算结果如图8所示。从图8中可以看出，当软化度在1.0～0.2变化时，排土场边坡的下限安全系数从2.089降低到1.091；上限安全系数从2.130降低到1.134。可见，接触带土体的软化对排土场边坡稳定性的影响很大。

图8 不同软化度下排土场边坡下、上限安全系数Fig.8 Lower and upper limit safety factor of dump slopes under different softening degrees

图9 软化度为1.0时排土场边坡的下限剪切耗散图Fig.9 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope with softening degree of 1.0

图10 软化度为0.5时排土场边坡的下限剪切耗散图Fig.10 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope wtih softening degree of 0.5

图11 软化度为0.2时排土场边坡的下限剪切耗散图Fig.11 Lower bound shear dissipation diagram of dump slope with softening degree of 0.2

分别选取软化度为1.0、0.5及0.3 m时排土场边坡的下限剪切耗散进行研究，如图9—图11所示。从图中可以看出，相同的堆填角度、基岩倾角及软化接触带厚度下，随着软化度的不断减小，排土场边坡滑动面穿过软化土层的长度逐渐变大，滑体总体积不断增大。其他软化度下的下限 剪切耗散图与此类似，不再列举。

为定量分析软化度对排土场边坡安全系数的影响，给出排土场边坡安全系数绝对衰减率Δi的定义：

(3)

式中，Fi、F0分别为不同软化度与土层未软化(软化度为1.0)时排土场边坡的安全系数。

图12 不同软化度下排土场边坡下、上限安全系数的绝对衰减率Fig.12 Reduction ratio of lower and upper limit safety factor of dump slopes under different softening degree

为使问题更清晰，按式(3)分别计算了不同软化度下排土场边坡安全系数的绝对衰减率，计算结果如图12所示。从图12可以看出，当接触带土层的软化度在1.0～0.2变化时，排土场边坡下限安全系数的绝对衰减率在0～47.8%变化，上限安全系数的绝对衰减率在0～46.6%变化。可见，随着接触带土层的不断软化，排土场边坡的稳定性逐渐降低，当达到某一临界值时，排土场边坡会发生失稳破坏。

6 排土场边坡实例验证

为验证本文分析方法的可行性，选择与某排土场边坡[15,18]相同的几何模型及渣土层参数对本文的分析结果进行验证，计算模型如图13所示。排土场边坡稳定性计算时“渣土”、“接触带土层”、“基岩”的本构模型均采用摩尔-库伦模型，具体的计算参数如表2所示。

图13 排土场边坡计算模型图Fig.13 Calculation model diagram of dump slope

组成重度/(kN·m-3)弹性模量/MPa泊松比黏聚力/kPa内摩擦角/(°)渣土18.91500.352920接触带土(软化度0.5)20.2700.4514.510基岩25.02 0000.230040

该排土场边坡在不同接触带软化度下的稳定性计算结果如表3所示，其安全系数的绝对衰减率如图13所示。从表3中可以看出，该排土场边坡不考虑接触带土层软化时，边坡下、上限安全系数分别为2.008和2.047，此时的边坡稳定性程度较高。随着接触带土体的不断软化，边坡的下、上限安全系数逐渐减小，当软化度达到0.2左右时，边坡接近临界滑动状态。从图13可以看出，当接触带土层的软化度在1.0～0.1变化时，排土场边坡下限安全系数的绝对衰减率在0～56.0%变化，上限安全系数的绝对衰减率在0～55.1%变化。因排土场模型边坡中倾斜软化接触带土层的存在，边坡中下部土体推挤坡脚前缘和牵引后部坡体滑动，最终在坡体内部形成由软化接触带到坡顶的贯通滑裂面，研究结果与文献[15,18]中模型边坡的滑动趋势一致。可见，接触带软化对该排土场边坡的稳定性有着极其不利的影响。

表3 排土场边坡稳定性分析结果

图14 不同软化度下排土场边坡下、上限安全系数的绝对衰减率Fig.14 Reduction ratio of lower and upper limit safety factor of dump slopes under different softening degree

7 结论

1)相同的软化带厚度及基岩倾角下，随着堆填角度的增大，排土场边坡的下、上限安全系数影响很大。

2)同等条件下，基岩倾角和软化接触带的厚度对排土场边坡的下、上限安全系数影响较小。

3)相同的堆载角度、基岩倾角及软化土层厚度下，接触带的软化度对排土场边坡的影响极大，排土场边坡的下、上限安全系数绝对衰减率可达50%左右。

4)随着接触带土层的不断软化，排土场边坡滑动面穿过软化接触带的长度逐渐变大，滑坡总体积不断增大。

5)因软化接触带土层的存在，排土场边坡中下部土体推挤坡脚前缘及牵引后部坡体滑动，最终形成由软化接触带到坡顶的贯通滑裂面。