汪儒鴻，周海清，彭國園

(1.陸軍勤務(wù)學(xué)院軍事設(shè)施系, 重慶 401331；2.西北核技術(shù)研究所, 陜西 西安 710024)

我國是一個(gè)地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生較為頻繁的國家，據(jù)國家地質(zhì)環(huán)境信息網(wǎng)統(tǒng)計(jì)，僅2013年全國就發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害15 403起，其中滑坡、崩塌、泥石流共14 703起，占地質(zhì)災(zāi)害總數(shù)的95.4%，共造成669人死亡或失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失102億元。政府和社會(huì)為治理這些地質(zhì)災(zāi)害投入了大量的工程經(jīng)費(fèi)，因此加強(qiáng)對(duì)邊坡變形破壞機(jī)理與規(guī)律的研究，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益和工程應(yīng)用價(jià)值。在不同邊坡的破壞形式中，有一類邊坡滑坡破壞作用特別巨大。發(fā)生和進(jìn)行得非常迅速，破壞前沒有明顯的變形跡象，缺乏災(zāi)變預(yù)兆。2010年9月1日發(fā)生在云南省保山市隆陽區(qū)瓦馬鄉(xiāng)河?xùn)|村的一起滑坡災(zāi)害，災(zāi)前沒有明顯的變形跡象，因此沒有引起坡下村民的警覺?；聠?dòng)后快速下滑，解體嚴(yán)重，破壞力巨大，最終導(dǎo)致48人死亡和失蹤(圖1)。

圖1 云南省保山市隆陽區(qū)瓦馬鄉(xiāng)河?xùn)|村滑坡災(zāi)害Fig.1 Landslide in Hedong Village Wama Township, Longyang District, Baoshan City, Yunnan Province

類似的滑坡并不鮮見，2015年11月13日浙江省麗水市蓮都區(qū)里東村滑坡[1]、2013年1月11日云南省鎮(zhèn)雄縣高坡村滑坡[2]、以及2015年深圳光明新區(qū)“12·20”余泥渣土受納場(chǎng)滑坡[3]都具有突發(fā)、快速、解體嚴(yán)重的特點(diǎn)。

普通的滑坡變形過程通常包括蠕動(dòng)這一前期變形階段，坡體在這一階段滑動(dòng)了一定的距離之后，通?；瑒?dòng)面的強(qiáng)度只剩下殘余強(qiáng)度，較之蠕動(dòng)變形之前強(qiáng)度已大大降低，即邊坡的抗滑力大大減少，而下滑力則并沒有減少，甚至由于蠕動(dòng)變形的結(jié)果坡體還具有了一定的初速度，由此滑坡進(jìn)入快速下滑的劇滑階段。而此類滑坡則沒有明顯的蠕動(dòng)變形階段，或者這一階段很短，滑坡發(fā)生后直接就進(jìn)入劇滑階段。參照典型滑坡劇滑前的變化，發(fā)生這種沒有前期變形積累的突然快速下滑說明邊坡失穩(wěn)后其滑動(dòng)面強(qiáng)度發(fā)生了快速的下降。根據(jù)這一特點(diǎn)和現(xiàn)有對(duì)滑坡的認(rèn)識(shí)，一個(gè)合理的假設(shè)就是發(fā)生該類滑坡的邊坡體存在較大的結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度[4]，使得邊坡一旦失穩(wěn)發(fā)生滑移后，其滑面土體的結(jié)構(gòu)性被破壞，強(qiáng)度突然降低，導(dǎo)致邊坡下滑的阻力大大減少，滑動(dòng)大大加速，從而產(chǎn)生突然的缺少前期變形跡象的快速下滑。相關(guān)研究也從側(cè)面驗(yàn)證了這一推理的合理性：林威[5]通過對(duì)花崗巖殘積土微觀結(jié)構(gòu)及工程特性的研究，得出土體結(jié)構(gòu)性的存在增強(qiáng)了土體抵抗外荷載破壞的能力，但一旦結(jié)構(gòu)受到破壞邊坡穩(wěn)定性就會(huì)急劇下降的結(jié)論；劉邦安[6]通過對(duì)人工制備結(jié)構(gòu)性土進(jìn)行室內(nèi)邊坡實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)性土邊坡的靜力破壞具有均勻變形不明顯，表現(xiàn)出一定脆性破壞的特征。綜上，研究土體的結(jié)構(gòu)性對(duì)邊坡失穩(wěn)突發(fā)性的影響，對(duì)邊坡防災(zāi)減災(zāi)有重大意義。

1 數(shù)值分析方法

邊坡滑坡變形是一個(gè)十分復(fù)雜的過程，其現(xiàn)象涉及深層土體滑動(dòng)、地表植被破壞以及地面裂隙擴(kuò)張等等。為方便統(tǒng)計(jì)滑坡過程中坡體的位移變形量，分析土體的結(jié)構(gòu)性對(duì)邊坡失穩(wěn)變形規(guī)律的影響，采用離散元軟件PFC2D來模擬不同土體強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)性土質(zhì)邊坡，具體方法如下。

1.1 數(shù)值模型搭建

根據(jù)研究需要搭建邊坡二維數(shù)值模型，即搭建具有特定尺寸及邊界形狀的離散元顆粒集合。通過賦予離散元顆粒集合相應(yīng)材料參數(shù)，使其力學(xué)特性與真實(shí)土體相似，從而使數(shù)值邊坡整體的力學(xué)響應(yīng)接近真實(shí)邊坡。其中顆粒摩擦強(qiáng)度的大小主要由接觸滑動(dòng)模型參數(shù)(fric)控制；顆粒結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度的大小主要由平行黏結(jié)接觸模型控制。平行黏結(jié)模型主要包括五個(gè)特征參數(shù):法向和切向剛度(Pb-kn/Pb-ks)、法向和切向強(qiáng)度(Pb-nstren/Pb-sstren)、黏結(jié)半徑(Pb-rad)，反映了接觸顆粒在有限區(qū)域內(nèi)填充膠合材料的本構(gòu)特性。由于平行黏結(jié)接觸模型的定義近似于結(jié)構(gòu)性土二元介質(zhì)模型[7]，也有較多文獻(xiàn)[8-10]驗(yàn)證過離散元分析方法模擬結(jié)構(gòu)性土的可行性，故不再展開討論。

1.2 邊坡失穩(wěn)方法

以有限元、有限差分法為主的邊坡穩(wěn)定分析方法通常采用強(qiáng)度折減[11]來使邊坡失穩(wěn)，但這類方法并不適用于結(jié)構(gòu)性土坡的滑坡模擬。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)性土具有應(yīng)變軟化特性，對(duì)該類土體采用人工強(qiáng)度折減不一定能反映其土體強(qiáng)度的真實(shí)非線性變化。更重要的是，結(jié)構(gòu)性土目前尚無公認(rèn)的有限元數(shù)值本構(gòu)模型。因此，采取逐級(jí)增加坡頂荷載的方法使結(jié)構(gòu)性土坡滑坡失穩(wěn)。首先，使邊坡在自重狀態(tài)下計(jì)算至應(yīng)力平衡，令坡體的位移形變歸零；然后，在坡頂局部范圍內(nèi)對(duì)邊坡逐級(jí)施加豎向荷載，每施加一級(jí)荷載，使邊坡顆粒自主運(yùn)動(dòng)并重新計(jì)算至應(yīng)力平衡。當(dāng)施加至某一級(jí)荷載后，邊坡顆粒無法再靠自身運(yùn)動(dòng)達(dá)到平衡，其最大位移無法收斂，邊坡徹底失穩(wěn)，稱該級(jí)荷載為邊坡最終荷載。在整個(gè)加載過程中，利用離散元軟件的可視化技術(shù)，監(jiān)測(cè)顆粒之間平行黏結(jié)接觸來評(píng)估邊坡土體結(jié)構(gòu)性的完整性。

需要說明的是：逐級(jí)增加坡頂荷載使邊坡失穩(wěn)的方法屬于特定數(shù)值分析方法，并不對(duì)應(yīng)某類真實(shí)滑坡情況。但從破壞本質(zhì)上來說，該過程與真實(shí)邊坡在各種不利工況影響下滑面逐漸損傷的過程相對(duì)應(yīng)，符合邊坡漸進(jìn)破壞[12-13]的定義，其結(jié)果具有一定分析價(jià)值。

1.3 滑坡變形度量

在邊坡坡頂、坡中以及坡腳等不同位置選取表面顆粒作為滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)，提取各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的信息來度量邊坡位移變形的大小。以某監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例：在坡頂荷載作用下，邊坡變形導(dǎo)致該點(diǎn)顆粒產(chǎn)生相應(yīng)位移，反映在二維數(shù)值平面上就是顆粒坐標(biāo)的變化。由于巖土材料和邊坡滑動(dòng)方向的不確定性，在各級(jí)荷載作用下該點(diǎn)顆粒的位移應(yīng)分解在x軸、y軸兩個(gè)方向上來同時(shí)進(jìn)行研究。通過統(tǒng)計(jì)該點(diǎn)顆粒在滑坡過程中實(shí)時(shí)x軸、y軸方向上的累積坐標(biāo)增量，即可分析邊坡在該點(diǎn)處的滑坡變形特征。

2 算例

2.1 基本模型搭建

在圖2所示的框架內(nèi)搭建結(jié)構(gòu)性土坡的離散元模型。選取A-D四處表面顆粒作為滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并每隔一定距離給顆粒上色以便于觀察坡體變形。

圖2 PFC2D邊坡模型Fig.2 PFC2D slope model

2.2 材料參數(shù)賦予

應(yīng)用PFC2D搭建模型材料的力學(xué)性質(zhì)主要定義顆粒密度、粒徑分布、基本顆粒形狀及顆?；炯?xì)觀屬性，并通過控制顆粒的接觸本構(gòu)模型來模擬材料的本構(gòu)模型[14]。材料宏觀參數(shù)與微觀參數(shù)的對(duì)應(yīng)建立在大量的雙軸壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)M[15]及參數(shù)調(diào)試上。該過程相對(duì)復(fù)雜，又并非本文重點(diǎn)，這里不做深入討論，僅展示三種不同結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度土坡的顆粒主要微觀參數(shù)及對(duì)應(yīng)宏觀參數(shù)(表1)。

以高結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度組及低結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度組邊坡為例，兩組邊坡的顆粒集合在100 kPa圍壓作用下的偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線如圖3所示。可以看出高結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度組顆粒的峰值強(qiáng)度更高，其殘余強(qiáng)度與峰值強(qiáng)度之比較低結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度組顆粒更小。說明高結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度組顆粒的結(jié)構(gòu)性較強(qiáng)，具有更加明顯的應(yīng)變軟化現(xiàn)象，這也進(jìn)一步驗(yàn)證了利用平行黏結(jié)接觸模型模擬土體結(jié)構(gòu)性的可行性。同理，將三組顆粒集合在不同圍壓下進(jìn)行離散元雙軸壓縮測(cè)試，繪出其各自的應(yīng)力莫爾圓，即可得到對(duì)應(yīng)宏觀力學(xué)參數(shù)。

表1 顆粒宏微觀參數(shù)Table 1 Microscopic macro parameters

圖3 偏應(yīng)力-軸向應(yīng)變曲線Fig.3 Deviatoric stress-axial strain curve

2.3 施加坡頂荷載

根據(jù)邊坡的坡頂長度和顆粒數(shù)量把坡頂均布荷載換算成作用在每個(gè)顆粒的集中荷載施加在顆粒上。為保證所施加的為柔性荷載，坡頂?shù)囊慌蓬w粒也用平行黏結(jié)模型黏結(jié)起來。根據(jù)土體參數(shù)設(shè)置，三組結(jié)構(gòu)性土坡的坡頂初始荷載均設(shè)為0.25 kN/m，并同樣以此大小逐級(jí)遞增，在這個(gè)過程中每施加一級(jí)荷載使邊坡重新計(jì)算至應(yīng)力平衡，再繼續(xù)施加下一級(jí)別荷載。當(dāng)施加至某一級(jí)荷載之后，顆粒的最大位移無法收斂，邊坡失穩(wěn)，則將該級(jí)荷載定為最終荷載。

2.4 結(jié)果及分析

2.4.1最終荷載與邊坡穩(wěn)定性

數(shù)值模擬得出三組不同結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度土坡的最終荷載大小如表2所示。以高結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度土坡為例：圖4表示離散元邊坡顆粒的實(shí)時(shí)狀態(tài)。由于坡頂荷載是逐級(jí)增加的，圖4a為邊坡在坡頂荷載為16 kN/m的條件下達(dá)到應(yīng)力平衡時(shí)的狀態(tài)。此時(shí)顆粒最大位移以及最大不平衡力都是收斂的，說明邊坡還未失穩(wěn)；圖4b及圖4c則是對(duì)邊坡施加最終荷載以后，在坡頂荷載16.25 kN/m的條件下滑坡的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。可以看出邊坡此時(shí)已經(jīng)失穩(wěn)，坡體裂隙大量發(fā)育，顆粒最大位移也不收斂。

除直接觀察以外，還可以結(jié)合顆粒位移矢量圖來分析邊坡穩(wěn)定性。圖5a為邊坡在坡頂荷載16 kN/m的條件下達(dá)到應(yīng)力平衡時(shí)的顆粒位移矢量圖，此時(shí)邊坡還未形成完整的滑面；而在最終荷載施加以后，顆粒不斷滑動(dòng)，逐漸形成了完整的滑面，邊坡最終失穩(wěn)，其動(dòng)態(tài)發(fā)展過程如圖5b及圖5c所示。以上分析可知：各邊坡在最終荷載施加之前，都能夠通過顆粒的自主運(yùn)動(dòng)達(dá)到應(yīng)力平衡，邊坡尚未失穩(wěn)。而一旦施加最終荷載以后，由于外界荷載超出了邊坡所能承擔(dān)的限度，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)，產(chǎn)生滑坡。

表2 各邊坡最終荷載Table 2 Final load on the slope

2.4.2邊坡失穩(wěn)與土體結(jié)構(gòu)性的損傷

在整個(gè)加載過程中，邊坡土體結(jié)構(gòu)性的完整情況也在不斷發(fā)生變化，同樣以高結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度土坡為例：圖6中黑線表示顆粒之間的平行黏結(jié)接觸。圖6a為邊坡施加坡頂荷載之后，于坡頂荷載為16 kN/m的條件下達(dá)到應(yīng)力平衡時(shí)的顆粒平行黏結(jié)接觸情況?？梢婎w粒之間的黏結(jié)接觸已經(jīng)出現(xiàn)損傷，特別是坡頂范圍內(nèi)有明顯斷裂現(xiàn)象，但從整個(gè)邊坡來看并沒有形成貫通的破壞面；圖6b及圖6c為邊坡在施加最終荷載之后的顆粒平行黏結(jié)接觸破壞情況。此時(shí)顆粒的平行黏結(jié)接觸出現(xiàn)大量斷裂破壞，并形成貫通的破壞面。

圖4 離散元邊坡顆粒Fig.4 Discrete element slope particles

圖5 顆粒位移矢量圖Fig.5 Particle displacement vector

圖6 顆粒平行黏結(jié)接觸示意圖Fig.6 Particle parallel adhesion contact diagram

將其與圖4和圖5進(jìn)行對(duì)比：土體結(jié)構(gòu)性的損傷貫穿于結(jié)構(gòu)性土坡整個(gè)滑坡過程，且同樣動(dòng)態(tài)反映出邊坡的實(shí)時(shí)穩(wěn)定性。在施加坡頂荷載以后，邊坡土體的結(jié)構(gòu)性處在不斷損傷的情況下，但一直到最終荷載施加之前都沒有形成貫通的破壞面，說明局部平行黏結(jié)接觸的斷裂對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響并不大，或者說此時(shí)潛在滑面土體的殘余強(qiáng)度仍然滿足承擔(dān)外界荷載的要求；而在施加最終荷載以后，與邊坡失穩(wěn)相對(duì)應(yīng)的就是顆粒平行黏結(jié)接觸大量斷裂，并形成貫通的破壞面。圖6所示平行黏結(jié)接觸的破壞貫通面與圖5所示邊坡滑面位置基本重合，說明潛在滑面的土體結(jié)構(gòu)性受損最大，反之也說明由于土體結(jié)構(gòu)性的損傷主要集中于邊坡潛在滑面位置，導(dǎo)致該部分土體強(qiáng)度迅速下降，邊坡沿該面加速下滑，最終失穩(wěn)。因此邊坡潛在滑面土體結(jié)構(gòu)性的損傷是結(jié)構(gòu)性土坡失穩(wěn)的主要原因之一。

2.4.3失穩(wěn)變形比較

潛在滑面土體結(jié)構(gòu)性的損傷是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)性土坡失穩(wěn)的主要原因之一，其破壞面的貫通是該類邊坡失穩(wěn)的重要標(biāo)志。因此可通過統(tǒng)計(jì)各邊坡在土體結(jié)構(gòu)性的破壞面剛好貫通時(shí)的邊坡位移變形大小，即各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累積方向坐標(biāo)增量，來評(píng)估不同結(jié)構(gòu)性土坡的失穩(wěn)突發(fā)性。

各邊坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表3所示?？梢钥闯鐾馏w的初始結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度越高，邊坡失穩(wěn)前累積的滑動(dòng)變形越小，失穩(wěn)的突發(fā)性越大。為驗(yàn)證該統(tǒng)計(jì)結(jié)果的合理性，并直觀展示不同結(jié)構(gòu)性土坡在滑面損傷過程中累積位移形變的不同。這里選取高、低兩種不同結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度土坡在各自潛在滑面土體的結(jié)構(gòu)性完全破壞、形成貫通破壞面時(shí)的顆粒位移矢量圖進(jìn)行比較(圖7)。可以看出高結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度土坡失穩(wěn)時(shí)顆粒位移矢量較小，說明邊坡滑動(dòng)變形小，其失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)性較大。

表3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積方向坐標(biāo)增量Table 3 Cumulative direction coordinate increment of each monitoring point

“-”表示數(shù)據(jù)過小，不予統(tǒng)計(jì)。

圖7 顆粒位移矢量圖Fig.7 Particle displacement vector

3 結(jié) 論

以邊坡漸進(jìn)破壞理論為基礎(chǔ)，對(duì)土體的結(jié)構(gòu)性對(duì)邊坡失穩(wěn)突發(fā)性的影響進(jìn)行了探討。通過離散元數(shù)值模擬方法比較了不同結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度土坡的失穩(wěn)變形規(guī)律，所得結(jié)論如下：

(1)土體結(jié)構(gòu)性的損傷貫穿于結(jié)構(gòu)性土坡滑坡的整個(gè)過程。該損傷集中于邊坡潛在滑面的位置，由于滑面土體結(jié)構(gòu)性的損傷導(dǎo)致該區(qū)域土體強(qiáng)度下降，進(jìn)一步加劇了坡體的下滑，最終導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)。

(2)結(jié)構(gòu)性土坡在滑坡過程中會(huì)形成與滑面類似的土體結(jié)構(gòu)性損傷貫通面，是結(jié)構(gòu)性土坡失穩(wěn)的重要標(biāo)志之一。

(3)土體初始結(jié)構(gòu)性強(qiáng)度越高的邊坡，在邊坡滑坡過程中累積的位移變形越小，失穩(wěn)突發(fā)性越高。