降雨工况下土石混合体边坡失稳模式研究_董自涛.pdf

2023年第1期新 疆 有 色 金 属降雨工况下土石混合体边坡失稳模式研究董自涛（成都理工大学环境与土木工程学院,四川成都 610059）摘要：边坡在降雨和地震工况下的稳定性一直是当前岩土体稳定性的研究热点，而数值模拟手段为边坡的稳定性研究提供了有力的手段支持，为我们量化边坡的稳定性分析提供了极大的优势，同时将平常现场、试验中难以有效观测的各类数据提供了可视化的展现。鉴于此，本文将通过PFC3D手段开展土石混合体边坡降雨工况下的稳定性研究，并对其失稳过程进行反演，以期为其失稳破坏模式提供一个准确的认识。关键词：土石混合体；边坡；稳定性；降雨；离散元目前，对降雨工况下土石混合体的强度演化规律及其边坡失稳机理的相关文献报道不多，已有的土质边坡、岩质边坡稳定性计算规范中未能有效的考虑土体的工程力学性状，设计过程中该类土体性能参数确定还多依赖于工程经验和有限的室内试验，存在较大的盲目性。因此，开展土石混合体材料的力学特性及其边坡失稳机理研究，以解决土石混合体边坡设计与防护技术瓶颈背后的核心科学问题显得十分迫切，具有重要的理论意义和工程实践价值1。本文拟采用离散元理论，从微细观角度分析土石混合体的宏观力学特性以及土石混合体边坡在降雨作用下的失稳破坏机理，为研究土石混合体边坡破坏提供新思路。1 颗粒流基本假设及模拟分析步骤作为离散单元法中较为典型的一种分析方法，颗粒流法是通过模拟颗粒的运动以及颗粒之间相互作用来研究颗粒集合体的力学行为，在此过程中，通过颗粒流法把物体分成具有代表性的有限个颗粒单元，之后进行非连续介质的运动及其相互作用的模拟，该方法可用于复杂变形问题的反映2。2 模型建立及参数选取为了精细模拟块石形状对土石混合体边坡的影响，采用Zscanner 800手持便携式高精度三维激光扫描仪，通过多角度变化的方式进行扫描，最终实现对块石形状的精细重构，其扫描精度为 0.04mm3。对扫描后的点云数据经过软件除躁、去除体外孤点等方式，再统一进行简化、封装，对存在的孔洞进行必要的填补，通过clump单元实现了对不规则块石形状的精细模拟，最终构建出最为真实的三维块石模型，具体块石图片如图1所示。图1块石形态示意图PFC3D软件对于简单的模型主要通过命令来搭建，对于较为复杂的模型还可以直接导入外部图形数据建立，比如将 CAD 中的地形图导入 ABAQUS、ANSYS、犀牛划分网格的软件生成实体再导入 PFC软件中。本文将通过三维建模软件的方式建立试验模型4。首先在PFC3D中选用视界正右方为X轴正方向，垂直X轴向里的为Y轴正方向，垂直XY平面向上的为Z轴正方向。根据室内模型大小，运用软件内置命令建立近似比例的“室内试验模型箱”，其在长5m，宽 2m，高 2m，“地形斜面”长 2.9m 与水平面夹角约32。再用命令在模型内部生成土石混合体材料，具体材料参数根据参数标定的结果来进行生成，具体模型尺寸如图2所示。对边坡的饱和区域施加流体的作用，模拟在雨水作用下的边坡的破坏情况，与实际的边坡破坏进行对比，以分析其作用机理。根据实际的流体特征及降雨强度，对于流体参数的设置主要是通过了流体参数的标定来完成确定。同时为使流体流动方向与实际一致，Z轴的流速与X轴的流速之比为1:1.5，不考虑在Y轴上流体作用，流速默认为0，流体流动作者简介：董自涛(1996-)，男，汉族，硕士研究生，研究方向为地质灾害防治与评价。E-mail：。DOI:10.16206/ki.65-1136/tg.2023.01.032822023年第1期新 疆 有 色 金 属的方向为室内降雨试验坡面的径流方向。图2PFC3D土石混合体边坡模型3 数值计算与结果分析图31104步图42104步图53104步图64104步图75104步图86104步图97104步图108104步图310较好的反演了室内试验中土石混合体边坡在降雨冲刷下失稳运动的过程：在运动初期（图3、图4），土石混合体边坡始终保持稳定，在降雨影响下更多的是降雨入渗及对坡表的冲刷，对其内在的稳定性影响较小；随着降雨入渗的持续以及不断的降雨作用（图5、图6），坡表产生进一步的冲刷，此时坡表位置开始有大量的块石发生翻转，这与试验中所观测到的块石翻转情况基本一致，此时的块石只有轻微偏转和滑移，对坡表整体状态影响较小。根据图7、图8所示，此时的边坡在5万步时，出现了明显的前缘蠕滑现象，坡脚开始挤出，整个坡体出现了明显的滑面，大的块石及部分土体颗粒开始滚落，此时边坡正处于极限平衡阶段。根据图9、图10所示，随着降雨持时的进一步增强，此时，坡顶、坡中位置土体和块石颗粒开始向下翻滚、滑移，最终聚集于坡脚；坡脚处出现明显的滑动。此时边坡失稳，块石夹带土体颗粒不断翻转，最终呈现着明显的圆弧状滑面。4 结论（1）本次数值模拟与室内降雨试验相结合的方式，模拟了土石混合体边坡在降雨作用下的失稳破坏过程，数值模拟结果与室内试验结果相一致，边坡的失稳破坏模式为：从起初的浅表层滑动发展到块石与土体颗粒滑动从坡脚远距离滑动，坡脚滑动引起坡体顶部滑动，可将该滑动列为牵引式滑坡。（2）本次土石混合体边坡的数值模拟实现了对土石混合体边坡的精细化模拟，三维激光所获取的真实块石形态为本次的准确失稳过程反演打下了有力的基础。（3）对于土石混合体边坡在降雨工况下的稳定性研究，土石混合体不同于土体边坡5与岩质边坡6的特点应尤为得到关注。（4）降雨作用下土石混合体边坡最容易出现坡脚失稳，应在坡脚位置加强防护。参考文献：1张榜.降雨条件下煤系土边坡失稳机理宏细观研究D.南昌工程学院，2020.2王利婷.基于颗粒流方法的弃渣场边坡稳定性评价研究D.长安大学，2020.3邓博麒.不规则颗粒砾石土离散元三轴数值模拟研究D.天津大学，2019.4宋浩燃.弃渣边坡变形破坏模式及降雨入渗条件下的稳定性分析D.成都理工大学，2020.5金磊，曾亚武，程涛，李晶晶.土石混合体边坡稳定性的三维颗粒离散元分析J.哈尔滨工业大学学报，2020，52（02）:41-50.6张小勇，李晓军.顺层页岩边坡稳定性离散元分析J.地震工程报，2017，39（05）:957-962.收稿：2022-11-1083