秦巴山区粘性土坡稳定性数值分析★

高 斌 郭 鸿* 赵 阳,2 姚 鹏 苏一辰

(1.陕西理工学院土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000； 2.宝鸡市第一建筑工程有限责任公司，陕西 宝鸡 721006)

秦巴山区粘性土坡稳定性数值分析★

高 斌1郭 鸿1*赵 阳1,2姚 鹏1苏一辰1

(1.陕西理工学院土木工程与建筑学院，陕西 汉中 723000； 2.宝鸡市第一建筑工程有限责任公司，陕西 宝鸡 721006)

为了直观的分析边坡滑坡的细观机理，利用离散元模拟，进行了颗粒流模拟粘性土坡的变形破坏过程，从而对粘性土边坡稳定性进行了分析，为粘性土边坡的稳定性分析提供了理论基础。

粘性土，数值模拟，离散元

0 引言

自然界广泛分布着残积土，膨胀土等粘性土，残积土、粘性土往往是非饱和的，在受外界不利因素(如地震、强降雨、人工作业等)的影响，可能会失去原有的稳定性而发生滑动、倾倒等形式的破坏。土坡的失稳破坏过程存在着土块的滑移、翻转和断裂以及土体逐渐变松等较复杂的过程。土体在宏观上具有不连续性以及单个块体运动的随机不确定性，边坡土体不同位置的力学性质、位移的规律等也不尽相同。因此研究土体的破坏过程是非常复杂的。离散元为Cundall[1，2]于1971年提出，是针对岩土体大位移非线性破坏的一种数值分析方法，它利用颗粒流模拟土坡变形破坏的过程从细观上定义颗粒之间的接触关系，该计算过程是边坡内部求得稳定状态的自然调整过程，故不要求具有连续的位移和协调的变形，通过模拟过程便可直观得到边坡滑倒、开裂的过程，以及最后滑裂面的形状和位置。所以利用颗粒流模拟边坡破坏特性是一种比较理想的途径，本文利用颗粒流对秦巴山区粘性土坡的稳定性进行数值模拟，从而为该地区粘性土边坡的防护与治理提供进一步的参考。

1 粘性土坡的颗粒流模型

1.1 离散元方法简介

离散元法主要思想是把整个介质看作由一系列离散的独立运动的粒子(单元)所组成，单元本身具有一定的几何(形状、大小、排列等)和物理、化学特性。其运动受经典运动方程控制，整个介质的变形和演化由各单元的运动和相互位置来描述。并被广泛应用于分析岩石力学问题的一种不连续数值模拟方法。二维颗粒流程序(PFC2D—particle flow code in 2-dimensions)作为离散元的一种[3]，是专门用于模拟固体力学大变形问题及颗粒流动问题的计算方法，它通过圆形离散单元来模拟颗粒介质的运动及其相互作用 。由平面内的平动和转动运动方程来确定每一时刻颗粒的位置和速度。作为研究颗粒介质特性的一种工具，它采用有代表性的数百个至上万个颗粒单元，通过数值模拟实验可以得到颗粒介质本构模型。

1.2 模型建立

本文采用PFC模拟滑坡稳定，PFC建立的模型首先在自重作用下平衡后，再设置强度参数，建模时考虑到土体自身的重力环境。

首先建立高10 m，长20 m的边坡。让其先在自重作用下达到稳定状态，基本模型初始稳定状态见图1a)。接着对矩形边坡基本模型进行3次开挖，每次开挖2 m深度(开挖颗粒是为了产生卸载作用来破坏PFC模型整体性)建立边坡模型，直到边坡达到稳定状态，坡高为6 m，坡角60°。我们为容易观察细小颗粒的移动情况，把土体颗粒隔一定距离设置为不相同颜色，如图1b)所示。

2 粘性土滑坡模拟及分析

粘性土边坡的破坏形式受内部结构和外界条件影响。从坡体自身结构特点而言，柔软结构面和自身材料抗剪强度是决定坡体稳定性的主要因素；从坡体外界环境而言，是由于自然因素和人类活动改变了边界条件和降低了山体结构的力学性质[4]。因此，有必要从坡体自身的结构特点出发，研究粘性土边坡的稳定性。本文对于粘性土分别从粘性土边坡冲刺式滑坡和粘性土边坡非冲刺式滑坡进行了颗粒流模拟。

2.1 粘性土坡冲刺式滑坡

如图2所示,当粘性土边坡冲刺式滑坡步时达到一定值时，边坡坡脚将产生一定的滑动，由于坡脚土质硬度不够，因此是坡脚直接刺进土里，产生位移变动，坡面从上而下因位移的移动而产生细小的裂缝；随着步时值的增大，坡脚滑移位移变大，从而导致坡面从上而下的裂缝扩大，随着裂缝的扩大，坡体中部出现剪切滑动，边坡上部开始有块体翻滚滑落，坡体底部的土体因上部重压而开始错位；随着步时的持续增大，边坡从上而下的拉裂越来越大，底部的土体因上部重压的错位也随之增大，最终整个边坡出现平面滑动破坏。

2.2 粘性土坡非冲刺式滑坡

如图3所示，当粘性土非冲刺式滑坡步时达到某一数值时，边坡坡脚开始顺着底部向前滑动，由于边坡底部土质较硬，滑坡土体没能冲刺进入底部土体，坡面从上而下产生明显的裂缝。随着步时的逐步增大，边坡坡脚顺着底部向前的位移在增大，进而加速了坡面拉裂裂缝的扩大。随着裂缝的增大，边坡上部出现块体翻滚滑落，上部土体不断重压导致底部错位。随着步时的持续增大，最终导致整个坡面出现平面滑动破坏，最后稳定时坡脚前土体有隆起。

3 结语

通过资料对秦巴山区土性的基本了解，主要以粘性土边坡为研究对象，利用颗粒流数值模拟方法，对粘性土边坡稳定性进行数值模拟分析，主要得出以下结论：

1)利用颗粒流程序可以较好的模拟边坡变形和破坏的整个过程，不需要假定滑移面的位置和形状，粒子根据接触力的位置调整，最终从抗剪强度最弱的面发生剪切破坏。

2)通过利用颗粒流对粘性土边坡滑坡过程进行数值模拟，从模拟的结果可以看出：当粘性土坡滑坡破坏时，起初是坡脚开始滑动，产生一定的位移，紧接着坡面上部产生拉裂裂缝，中部剪切，底部因上部重压而产生错位，最终导致整个坡面平面滑动。

[1] 胡 徽，陈 华，包文静.边坡稳定性数值分析方法研究进展[J].2010(8)：13-15.

[2] Cundall P A.A computer model for simulating progressive large scale movements in blocky rock systems[A].Proceeding of the symposium of the international society for rock mechanics[C].Nancy,France,1971.

[3] Itasca Consulting Group,Inc.PFC2D theory and background[M].Minneapolis:Minnesota,2004.

[4] 陈祖煜.土质边坡稳定分析——原理 方法 程序[M].北京：中国水利水电出版社，2003.

Numerical analysis of cohesive soil slope stability in Qinba Mountain area★

Gao Bin1Guo Hong1*Zhao Yang1，2Yao Peng1Su Yichen1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,China;2.BaojiNo.1ConstructionCo.,Ltd,Baoji721006,China)

In order to intuitive analysis of slope landslide of fine microscopic mechanism, the discrete element simulation, using particle flow simulation of cohesive soil slope deformation and failure process, and to analyze the cohesive soil slope stability, it has provied theoretical foundation for choesive soil slope stability analysis.

cohesive soil， numerical simulation， discrete element method

2015-06-08★:陕西省教育厅基金和陕西理工学院创新训练计划基金支持

高 斌(1993- )，男，在读本科生； 赵 阳(1992- )，男； 姚 鹏(1992- )，男，在读本科生； 苏一辰(1993- )，女，在读本科生

郭 鸿(1984- )，男，博士，讲师

1009-6825(2015)23-0041-02

TU413.62

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