接触带土体软化对土石混合边坡稳定性影响分析

黄 丽 华，刘 顺 青

(1.河西学院 土木工程学院，甘肃 张掖 734000； 2.江苏科技大学 土木工程与建筑学院，江苏 镇江 212100)

0 引 言

土石混合边坡是指由土夹碎石或卵石等土石混合体组成的边坡，常发育在第四系松散堆积层中[1-2]。在中国各类基础设施建设中，常会遇到土石混合边坡，因此，弄清其失稳机理对保证工程安全有着重要的意义。

实际工程中，土石混合边坡通常有一元结构和二元结构这2种形态，如图1所示。其中土石混合边坡的二元结构是指坡体由土石混合体、接触带及基岩3部分构成，其中接触带是指上部土石混合体和下部基岩间的过渡带，这种结构下边坡的稳定性取决于其上部土石混合体的力学特性及接触带的特性[3]。土石混合二元结构边坡上部土石混合体的渗透特性及下部基岩的滞水特性，常导致接触带处的岩土体由于含水较多而软化，进而抗剪强度降低。

图1 土石混合体边坡结构形态

目前为止，土石混合边坡稳定性评价方法主要有模型试验及数值模拟法，其中数值模拟时主要采用数字图像和随机模型两种方法建模。数字图像建模方面，陈晓[2]、刘康琦[4]、徐文杰[5]等建立了土石混合边坡的细观结构模型，并采用强度折减法研究了边坡在不同工况下的稳定性变化规律。随机模型建模方面，黄献文等[6-7]提出了一种随机构建土石混合边坡模型的方法，并采用有限元及极限分析等方法分析了块石掺量及长轴倾角等因素对其稳定性的影响；张森等[8]运用随机生成技术并结合强度折减法分析了块石含量对土石混合边坡稳定性的影响；李亮[9]、邵帅[10]等编制程序生成了随机块石模型，并分析了块石含量和空间分布的稳定性及剪切带的影响。从上述分析可知，目前针对土石混合边坡稳定性的分析都未系统考虑接触带处土体软化(抗剪强度降低)的影响，然而此问题对其稳定性有着重要影响。

本文通过自编的随机模型生成系统[3，11](见图2)，生成了含接触带的土石混合边坡概念模型，然后将概念模型导入到Optum G2，采用极限分析法分析了接触带软化对边坡稳定性的影响。

图2 随机模型生成系统

1 含接触带土石混合边坡的生成

含接触带土石混合边坡的工程特征尺度(Lc)为边坡高度，相关文献中推荐边坡中的土-石阈值为(0.05～0.75)Lc[12-15]，本文中的土-石阈值范围取(0.05～0.20)Lc。因边坡高度取10.0 m，所以文中块石的最大、最小粒径分别为2.0 m 及0.5 m。含接触带土石混合边坡中的块石级配如表1所列。含接触带土石混合边坡模型中，边坡坡角取45°，基岩倾角取10°，接触带的厚度取1.0 m，接触带的倾角与基岩的一致。

表1 含接触带土石混合边坡的块石级配

本文的含石率(VRBP)定义为土石混合边坡中所有块石的总截面积与边坡截面积的比值。各含石率下含软化接触带的土石混合边坡示意如图3所示。

图3 不同含石率下含软化接触带的土石混合边坡示意

2 土石混合边坡计算模型的建立

将不同含石率下的模型导入到极限分析软件Optum G2中，形成含软化接触带的土石混合边坡数值计算模型，如图4所示。

图4 含软化接触带的土石混合边坡计算模型(单位：m)

土石混合边坡中的“块石”与“土体”需满足Eblock/Esoil>2以及tanφblock/tanφsoil>2[12，16]，本文土石混合边坡稳定性计算时所采用的计算参数如表2所列。表2中，因需重点考虑接触带土体的软化，稳定性计算时接触带土体的抗剪强度参数取原土体参数的一半。土石混合边坡稳定性计算时采用极限分析法，计算分析流程如图5所示，图中TOL为收敛精度，取0.001。

表2 含接触带土石混合边坡的计算参数

图5 含接触带土石混合边坡稳定性的分析流程

3 含接触带土石混合边坡稳定性分析

3.1 土石混合边坡的安全系数

含软化接触带土石混合边坡的稳定性分析采用极限分析法。含石率分别考虑0(纯土)，10%，20%，30%，40%，50%及60%，每种含石率下考虑10个块石的随机分布位置，共进行了61个土石混合边坡的稳定性计算，边坡下、上限安全系数的计算结果如图6及表3所示。

表3 不同含石率下含接触带土石混合边坡下、上限安全系数的均值、方差及变异系数

图6 不同含石率下含接触带土石混合边坡的安全系数

从结果中可以看出，含接触带土石混合边坡的下限安全系数随着含石率的增加有较小幅度的提高。与均质土的下限安全系数相比，含石率为40%，50%，60%的土石混合边坡其平均下限安全系数分别增加0.8%，2.7%，7.1%。这与现有研究成果略有不同[12-13，16]，主要原因是含接触带土石混合边坡的稳定性由块石含量和接触带软化土体共同决定，接触带软化土体的存在削弱了块石含量对土石混合边坡稳定性的影响。

与均质土的上限安全系数相比，含石率为10%，20%，30%，40%，50%，60%的土石混合边坡其平均安全系数分别增加0.8%，2.7%，6.3%，13.9%，21.3%，31.4%。主要原因是随着含石率的增加，土石混合边坡滑动面产生了绕石及分叉效应，从而导致边坡安全系数的增加。

从表3中还可以看出，含接触带土石混合边坡的下、上限安全系数在相同的含石率下因块石分布位置不同而导致的差异略有不同。当含石率为60%时，因块石位置不同而导致土石混合边坡上限安全系数之间的最大差值为0.18。当含石率在10%～60%变化时，含接触带土石混合边坡的下、上限安全系数的变异系数分别0.4%～1.6%及0.5%～3.4%，这些变异系数的变化率低于已有的成果[12-13]，主要原因是接触带土体的软化降低了块石随机分布对边坡安全系数的影响。

3.2 土石混合边坡的剪切耗散

本文采用剪切耗散(Shear Dissipation，SD)来表征含接触带土石混合边坡的塑性变形，剪切耗散的计算公式如下：

(1)

σs=σ-mp

(2)

(3)

含软化接触带土石混合边坡在各含石率下的下限剪切耗散如图7所示。从图7中可见：含接触带的土石混合边坡滑动面随着含石率的增加，不再是圆弧形，而是呈现具有绕石效应的弯曲型滑面，并且所有的滑动面都穿过土石混合边坡的软化接触带。弯曲型滑面可沿着块石的两侧扩展，也可绕过块石骨架，贯通于块石之间的土体。

图7 不同含石率下含软化接触带土石混合边坡的下限剪切耗散

4 接触带土体软化对土石混合边坡稳定性的影响

为进一步分析接触带土体软化对土石混合边坡稳定性的影响，将计算结果与不考虑接触带土体软化的结果进行对比分析，结果如图8所示。 从图中可看出：接触带的土体软化降低了土石混合边坡的下、上限安全系数，并且含石率越高，降低程度越大。与均质土坡相比，不考虑接触带土体软化的土石混合边坡的下限安全系数分别增加3.8%(VRBP=40%)，6.5%(VRBP=50%)，10.9%(VRBP=60%)，而其上限安全系数则分别增加17.5%，26.8%，39.0%，这些数值明显高于考虑接触带软化时的值。可见，接触带软化土体的存在削弱了含石率对土石混合边坡稳定性的影响。此外，不考虑接触带土体软化的土石混合边坡下、上限安全系数的变异系数也高于考虑软化接触带时的数值。因此，接触带软化土体的存在也削弱了块石随机分布位置对土石混合边坡稳定性的影响。

图8 土石混合边坡稳定性的计算结果对比

5 结 论

通过随机模型生成系统，构建了含接触带的土石混合边坡模型，采用极限分析法分析了接触带土体软化对边坡稳定性的影响，并将计算结果与不考虑接触带土体软化的结果进行了对比分析，主要结论如下。

(1) 相同含石率下，含接触带土体软化的土石混合边坡下限安全系数随着块石位置的不同，变化较小，但是其最大、最小上限安全系数相差0.18(VRBP=60%)。

(2) 随着含石率的增加，含接触带土体软化的土石混合边坡的滑动面呈弯曲型，并且滑动面都穿过软化接触带。

(3) 土石混合边坡中接触带土体的软化削弱了含石率及块石空间分布对其安全系数的影响。