不同块石含量下典型土石混合体边坡稳定性研究

王其宽，梁世春，宋晓雷

(1.中国地质大学(北京) 工程技术学院，北京 100083；2.山西省交通规划勘察设计院有限公司， 山西 太原 030012)

土石混合体是一种由土、石介质共同组成，且性质极为复杂的特殊地质体，对应的边坡则被称为土石混合体边坡，其常见于水电工程中的库区等特殊场地。由于土石混合体边坡中土、石介质在物理力学性质上的极端差异性，其常表现出比一般边坡更为复杂的力学特性[1-2]。因此，有关土石混合体边坡稳定性等方面的研究逐渐成为相关工程关注的热点内容[3-4]。值得注意的是，如果对土石混合体边坡的变形破坏特征以及稳定性分析不足，由此引发的难题将直接影响工程建设与工程安全。

目前，在土石混合体边坡方面，国内外学者已经对其中力学特性、破坏特征以及稳定性分析等方面做了大量的研究工作，主要涉及工程实践、室内试验以及数值模拟等。在工程实践方面，潘鹏飞等[5]通过实验和现场统计等方法研究了某土石混合体边坡坡体物理力学参数的分布规律，并对边坡进行了可靠度分析。熊文林等[6]研究了某土石混合体边坡在不同工况下的破坏模式，并最终揭示了其变形破坏机制。李芬等[7]以某高速公路典型土石混合体边坡为研究对象，通过对关键区域进行局部的强度参数折减，准确量化了土石混合体边坡的变形破坏特征。在室内试验方面，杨继红等[8]通过室内大型直剪试验，研究了含石量对土石混合体的黏聚力、内摩擦角以及抗剪强度的影响规律。左自波等[9]基于降雨滑坡室内模型试验系统，研究了在降雨条件下，不同含石量边坡的破坏模式。邵忠瑞等[10]利用大型室内剪切仪和筛分试验研究了块石含量大小对土石混合体力学特性和破碎特性的影响。胡峰等[11]利用自主研发的试验系统进行剪切变形试验，研究了块石含量和块石形状对剪切带变形特征的影响。在数值模拟方面，金磊等[1]利用PFC3D颗粒流软件建立典型的土石混合体边坡的三维离散元模型，分析了不同块石含量及其形状等因素对边坡稳定性和破坏模式的影响，并揭示了其细观机理。徐文杰等[2]基于R-SRM2D系统通过数值试验研究了不同的土石混合体细观结构对渗流特征的影响规律。此外，还有一些学者综合以上多个方面对土石混合体边坡进行了对比分析，比如胡伟等[3]通过制备土石混合体试样并进行相关试验，同时结合数值模拟试验研究了碎石含量及其分布对混合体单轴抗压强度和变形破坏特征的重要影响。龚健等[12]通过进行不同含石量边坡的静力超载试验，同时与FLAC3D数值模拟结果对比，揭示了边坡在静力超载作用下的破坏过程。任三绍等[13]结合某古滑坡的原位直剪试验与数值模拟结果，分析了坡体黏聚力和内摩擦角随含石量的变化关系，得出了与彭东黎等[14]相似的结论。总的来说，关于土石混合体边坡的研究，前人已经在各个方面取得了诸多进展，同时也应该看到数值模拟工作在边坡稳定性分析中发挥的独特作用。然而，值得注意的是，目前的数值建模工作依然存在以下几个问题：建模理想化、块石形状的构建与分布受主观因素影响较大以及对数值模拟结果的定量分析不完善等，以上问题都在一定程度上制约着研究的进一步开展，同时也限制了对于土石混合体边坡的认知与了解。因此，有必要尝试运用新的建模方法，建立一个块石分布更加随机且块石形状、尺寸更加不规则，与实际情况更为符合的数值模型，继而对土石混合体边坡进行相关分析。

鉴于以上分析，本文尝试运用FLAC3D软件，将已经划分好的数值模型中的网格单元随机地排序分组，从而实现块石单元的随机分布，最终生成形态各异的块石体，继而研究含石量大小对土石混合体边坡稳定性的影响。

1 典型土石混合体边坡数值模型

1.1 模型建立及参数选取

为验证上述建模方法在分析土石混合体边坡稳定性等方面的准确性与可行性，建立某典型边坡模型，几何尺寸如图1所示。目前已经有诸多学者将此边坡算例成功地应用到了相关的研究领域中，并取得了积极的研究成果，同时也积累了相当成熟的模拟经验[15-20]，而在土石混合体边坡的相关研究中也有类似借鉴[1, 21-22]。数值模拟中，在边坡的四周进行法向位移约束，底面进行固定约束，表面则为自由面。模型中的单元采用六面体单元。根据建立的计算模型，假定土体和块石为理想弹塑性材料，且均服从Mohr-Coulomb屈服准则，土体和块石的物理力学参数如表1所示[23]。为研究含石量大小对土石混合体边坡稳定性的影响，本文通过改变块石含量大小，建立含石量分别为0%、20%、40%、60%、80%的土石混合体边坡模型，各模型中土、石的分布情况如图2所示。

图1 边坡算例模型图

图2 不同含石量的边坡数值模型(浅色代表块石，深色代表土体)

表1 土石混合体边坡各组分物理力学参数

1.2 稳定性计算方法

强度折减法自提出以来已经广泛地应用于边坡稳定性的分析当中，并且取得了丰富的研究成果[24-27]。该方法试图将原始的强度参数(黏聚力、内摩擦角)，除以折减系数F作为新的参数，然后将新的参数重新带入到数值模型中进行计算，重复以上操作直至边坡达到临界破坏状态，此时的折减系数即为该边坡的安全系数大小。公式如下：

(1)

(2)

式中：cf、φf为土(石)折减后的黏聚力、内摩擦角；F为折减系数；c、φ为土(石)折减前的黏聚力、内摩擦角。在边坡稳定性分析中，选择合适的失稳判据是判断边坡达到临界破坏状态的关键，常用的失稳判据有：数值计算不收敛、关键点位移突变、塑性区贯通等，本文利用FLAC3D软件内置的强度折减法对不同块石含量下的土石混合体边坡模型进行稳定性分析与评价。

2 不同含石量下边坡稳定性分析

为了直观和定量地比较含石量大小对土石混合体边坡变形破坏特征及稳定性的影响，本节在含石量为0%的土坡中选取4个关键点进行多指标的定量分析，其中关键点自坡脚至坡顶均匀等距地分布在剪切带上[28]，见图3。基于数值模拟结果，本文对关键点的总位移值、竖向应力值以及各边坡临界破坏时的剪切带分布规律进行对比分析，同时对各边坡的安全系数大小进行比较。

图3 关键点监测位置示意图

2.1 含石量对总位移分布的影响

图4和图5是不同含石量下土石混合体边坡在临界破坏时的总位移分布云图以及各关键点的总位移变化曲线。

图4 不同含石量的边坡总位移分布云图

从图4可以看出，随着含石量的增加，土石混合体边坡的总位移等值线逐渐呈现出明显的曲折、不规则特征，在潜在滑移面附近表现为明显的锯齿状。上述特征在含石量为40%～60%时最为显著，此时位移场分布更加不均匀，这主要是因为边坡堆积体的结构已经从典型的悬浮密实结构逐步转变为骨架孔隙结构，相应地，坡体的变形特征则开始从由土体控制转变由块石控制。当含石量从0%开始逐渐增大，总位移最大部位先从坡脚位置转移至坡顶的中部位置，而后又重新回到坡脚位置，且此时总位移等值线的形状仍有轻微的“锯齿状”，但趋于规则，同时变形范围较小，边坡稳定性增强，临界的块石含量在40%～60%之间。上述现象表明含石量增加到一定比例后，混合体边坡的力学特性逐渐由一定数量的块石控制，这与张森等[23]的数值模拟结果以及杨继红等[29]的室内试验结果非常相近，证明了本文数值模拟结果的准确性。

图5 不同含石量下关键点总位移变化曲线

从图5总位移变化曲线可以看出，当含石量从0%开始逐渐增大，总位移值先是经历了一个快速降低的过程，然后趋于稳定，保持一个较小的量值，这表明坡体内部的块石开始充分接触和咬合，继而坡体结构趋于稳固，在宏观上表现为位移量的减小与分布范围的改变，这与总位移云图以及文献[23]的分析结果是吻合的。分析上述现象，可以得出如下结论：随着块石含量的增加，块石之间逐渐接触并形成边坡的受力骨架，而土体则主要填充在块石骨架之间，因此边坡的整体性增强并在宏观性质上趋于堆石体，最终表现为整体位移量的减小。

2.2 含石量对竖向应力分布的影响

图6和图7是不同含石量下土石混合体边坡在临界破坏时的竖向应力分布云图以及各关键点的竖向应力相对变化率曲线，即相对于含石量为0%时的关键点竖向应力的变化率。

图6表明，当含石量从0%开始逐渐增大后，土石混合体边坡的竖向应力场变得非常不均匀，其中在块石体的边缘附近出现较为明显的应力集中现象，这与文献[1,23]计算结果较为一致。

图6 不同含石量的边坡竖向应力分布云图

图7 不同含石量下关键点竖向应力相对变化率曲线

从图7的关键点相对变化率曲线可以看出，随着块石含量的逐渐增大，各关键点的竖向应力变化呈现明显的跳跃和波动特征[4,30]。较之关键点1的竖向应力变化率，关键点2、点3和点4的变化率波动更为明显，且在含石量为40%～60%之间最为显著。上述现象表明：含石量的增大对土石混合体边坡坡体内部以及顶部范围的竖向应力影响最为明显，这主要是因为坡体内部的块石分布更加密集且块石骨架更加复杂[12]。

2.3 剪切带分布规律及安全系数比较

图8为不同含石量下土石混合体边坡的剪切应变增量云图。

分析图8可以看出，当块石含量从0%增加到40%的过程中，边坡临界破坏时的剪切带分布形态发生了明显的变化，具体为：临界状态下，含石量为0%时，边坡只发育有一条明显光滑的剪切带，而当含石量较大时，剪切带的分布受到了块石的显著影响，表现出明显的“绕石”现象，且形态更加曲折和不规则[1，23]。同时，在主剪切带的附近有较多的次剪切带发育，上述特征在含石量为40%时尤其明显，这主要是因为：在含石量较大但还未占主导地位时，边坡的变形破坏同时受到块石和土体的共同作用，故而剪切带的发育形态由块石和土体共同决定。值得注意的是，剪切带的曲折形态同时提高了边坡体的抗剪强度，继而提高了土石混合体边坡的稳定性[31]。当含石量持续增大，直至块石成为组成边坡的主体介质，此时剪切带又逐渐变得光滑，这主要是因为大量的块石已经构成了边坡的稳定结构，宏观表现为变形的逐渐统一。上述结果与文献[12，23]通过数值模拟的结果是一致的。

图8 不同含石量的边坡剪切应变增量云图

图9 不同含石量的边坡安全系数比较

图9 是不同含石量下边坡的安全系数大小比较。从中可以看出，含石量的增大提高了土石混合体边坡的稳定性：当块石含量由0%增加到20%时，安全系数提高了0.3，结果相较于文献[23，31]偏大，这主要是因为本文中的边坡模型坡角较小，同时基于随机分布的块石接触更为紧密，块石骨架更加牢固。当含石量小于40%时，边坡的安全系数提高并不明显，这主要是因为：此时的土体仍然是构成边坡的主体介质，而块石则主要分散在土体之间而难以发生相互作用，因而边坡在宏观性质上表现为均匀的土体边坡，其安全系数提高缓慢。值得注意的是，当块石含量从40%增大至60%后，边坡的安全系数出现了较大幅度的提高，而后又趋于稳定，分析原因为：随着含石量的增加，块石逐渐成为组成边坡的主要介质，而块石之间的相互接触、块石与土体之间的相互接触均使得边坡稳定性得到较大幅度的提高。当块石含量增加到一定程度后，块石已经成为整个边坡的受力骨架，而土体则主要充填在块石之间的缝隙中，此时边坡的宏观性质表现为堆石体，继而使得土体强度的折减对边坡安全系数的大小影响较小，最终导致边坡安全系数的增长幅度有一定程度的减小，这与上述剪切应变增量云图以及张森等[23]通过数值模拟得出的结果是吻合的。

3 结 论

(1) 通过将块石单元随机分布的建模方法引入到土石混合体边坡的稳定性分析中，结合前人的研究成果对该方法进行了验证，说明了本文方法的准确性和可行性。

(2) 增加块石含量会显著提高土石混合体边坡的稳定性，其中总位移等值线以及竖向应力等值线均表现出明显的不均匀、不规则等特征，且当含石量在40%～60%之间时，上述特征最为显著。

(3) 随着块石含量的增加，土石混合体边坡的剪切带由起初的“单一、光滑”特征逐渐表现为“交叉、绕石”等特征，同时边坡的安全系数逐渐提高，在含石量不超过40%时，安全系数提高缓慢，当含石量从40%增大至60%后，安全系数提高显著，而后又趋于稳定。