不同含石率及坡度条件下土石混合体路堑高边坡失稳机制分析

■覃国强

（广西路建工程集团有限公司，南宁 530001）

土石混合体是块石与土体介质以一定配比混合而成的天然混合物，是经由长期地质作用，如风化、侵蚀、剥离、搬运等地质营力条件下沉积而成的松散堆积体，具体由块体、砾石与砂土、黏土等多种固体颗粒共同组成。 不同于一般的纯土质边坡，土石混合体边坡的结构特征为块石镶嵌在细粒土中，从而导致边坡具有极大的不连续性与不均匀性。 我国土石混合体边坡具有形成概率高、分布范围广、规律性差异大等显著的特点，如该类型边坡失稳机制不明确，将严重影响了我国公路事业建设，带来巨大的投资风险以及不可预估的安全隐患。 因此，有必要对土石混合体边坡的变形机理、 破坏特征、滑动诱发机制以及边坡稳定性进行研究。

国内外研究者采用理论分析、现场试验、模型试验、 数值模拟等方法针对土石混合型边坡稳定性、破坏机理开展了系列研究，并取得了较大的进展。 在室内试验方面，唐建一等[1]通过大型直剪试验分析了不同含石率与不同法压下土石混合体的抗剪强度和剪缩、剪胀特性三者之间的关系；杨忠平等[2]通过室内大型直剪试验与离散元数值模拟对不同含石率对土石混合体—基岩界面剪切力学特性的影响及接触面剪切破坏机理进行了研究；夏加国等[3]结合地球物理勘探方法以及图像处理技术，初步实现了地质精细探测与宏—细观结构模型的统一。 在块体建模方法上，主要有数字图形建模与随机生成法2 种方法：Zhao 等[4]通过数字图像处理建立块体库，基于改进的交点检测算法，构建土石混合体边坡的数字模型，研究不同块体尺寸分布和岩石含量的土石混合边坡的稳定性；贺勇等[5]应用数字图像化处理的方式， 构建了块石的数字化模型，并运用蒙特卡洛方法随机生成了特定含石率和级配的土石混合体边坡模型；吴冠雄等[6]采用Delaunay 三角网格的集聚指数对块石间空间位置分布关系进行了分析。 此外，一些学者采用数值模拟方式对土石混合体边坡进行了模拟分析。 如Gao 等[7]通过现场直剪试验获得了SRM 边坡的土强度参数，并利用有限元数值方法模拟了SRM 边坡的破坏特征和稳定性；刘康琦等[8]采用数字图像技术构建了土石混合体边坡模型，并利用强度折减法对土石混合体边坡变形及稳定性展开了数值分析；陈晓等[9]建立了颗粒离散元数值模型，对比分析了土石混合体边坡与土质边坡之间滑面形态及破坏模式；李芬等[10]基于FLAC3D 软件编制了边坡稳定性计算的Fish 语言，分析了高边坡坡体稳定性；金磊等[11]采用三维离散元软件构建了考虑土石混合体边坡细观结构的三维数值模型，研究了岩块结构、形状、分布等因素对边坡稳定性与破坏模式的影响；刘顺青等[12]建立了考虑不同含石率和基覆岩层倾角土石混合体的边坡有限元模型，分析了边坡的稳定性。 基于前人的研究，本文依托崇左—爱店高速公路项目工程，针对土石混合体路堑高边坡失稳机制开展研究，分析不同含石率、不同坡角条件下土石混合体路堑高边坡稳定性，通过数字图像处理获取大量与真实岩块相似的块体轮廓，建立岩石块体库，借助MATLAB 软件将块体库随机投放在指定区域，并利用FLAC3D 软件建立高边坡土石混合体模型，分析多因素下土石混合体路堑高边坡失稳规律。

1 工程概况

崇爱高速公路位于广西崇左市， 主线长55.1 km，设计时速100 km/h，路基宽度26 m，为双向四车道一级公路。 该高速公路各段线路以不同的角度呈弧形或近直线型通过边坡区，所形成的人工高边坡一共有30 处，填方路基最大边坡高度为49.0 m。挖方路基最大边坡高度为84.51 m。 沿线土石混合体边坡分布较为广泛， 边坡整体呈现上陡下缓，在多年的地质构造作用下，形成了深厚坡洪积不良地质体，极易引发边坡滑动，在不同环境和施工开挖卸载影响下路堑高边坡存在极高的失稳风险。

2 模型构建

2.1 随机块体模型生成

考虑到块体尺寸的分布将对土石混合型边坡失稳机制产生重要影响，所有模型将根据相同的块石级配曲线和含石率，生成对应的块石数目，其级配曲线如图1 所示。 块体模型生成具体步骤如下：（1）利用数字图像处理技术采集不同边坡块石的样本并存储于数据库内；（2）对采集到的块石样本的原始图像进行识别、重生成等预处理，利用Photoshop软件将单独分割的块石图片进行灰度处理，使用MATLAB 的fspecial 和imfilter 函数对图像进行平滑处理，降低了图像的噪声；（3）进行二值化处理，将图像背景设置为白色，黑色填充块石内部；（4）利用MATLAB 中内嵌的Canny 边缘检测算法提取边缘点的像素点，即获得块石边缘各点的精确坐标，将由Canny 算法所获得的边界像素点采用平滑化样式处理，得到由多段直线段共同组成的轮廓边界；（5）将所有的块石样本的长轴、水平夹角、短轴长度、形心坐标进行规则化处理，最终由这些石块轮廓组成块体库。 在块石已存在的情况下，利用MATLAB 编写程序进行蒙特卡罗模拟，从块体库中提取石块轮廓在边坡区域内随机生成。 当计算得到的含石量（各块石面积之和/边坡模型整体面积）与输入的额含石量相对应，利用“while”命令循环停止提取，允许误差在±2.5%。并且需要保证块体随机分布时块体之间不发生重叠，块体与边坡边界不发生交叉，避免模型无法运行与块体面积损失。

图1 块石级配曲线

2.2 边坡模型构建

为了完成三维模型创建，将所有MATLAB 输出文件替换成脚本文件，以便于在AutoCAD 软件中呈现，并以DXF 格式保存，最后将DXF 文件导入到Rhino，根据所需含石率要求和Rhino 软件的面积计算功能，对模型进行修正，沿厚度方向拉伸0.5 m，形成准三维边坡模型。 模型创建好后，进行网格划分，网格采用以六面体网格为主，局部为四面体网格的方式，设置最小边缘长度为0.3 m，最大边缘长度为1 m，使用Rhino-to-FLAC3D 接口程序生成网格文件，最后导入到FLAC3D，如图2 所示。 对模型设置边界条件，模型顶部为自由边界，底部为固定约束，四周采用法向约束，在自重作用下，达到平衡获得自重应力场。 石块和土体均采用摩尔—库伦模型，各组分物理力学参数如表1 所示。 为确保模型结果的可靠性，消除随机误差，对每个相同坡度和含石量的模型，随机构建3 个边坡模型，即同一条件下，共进行3 次稳定性分析。

表1 土石混合体边坡物理力学参数

图2 土石混合体边坡几何模型

在计算土石混合体边坡稳定性时，目前常用的有限元及有限差分软件主要采用强度折减法。 由于边坡强度主要取决于其有效粘聚力c 和有效内摩擦角φ， 因此强度折减法是将边坡的粘聚力c 和内摩擦角φ 除以逐渐增大的折减系数， 通过连续试算，当计算致边坡无法维持自身稳定时，即到达临界失稳状态时，则该边坡的安全系数即为此时折减系数，具体公式如下：

式（1）、（2）中，ctrial、φtrial为土体折减后的有效粘聚力与有效内摩擦角；Ftrial为折减系数；c、φ 为岩土体折减前的粘聚力、内摩擦角。

在有限元分析中判断边坡达到临界失稳状态主要有以下3 种情况：（1）以模型计算是否能够收敛或完全计算作为评价标准，当软件无法继续收敛时，可表示此时边坡已达到临界失稳状态；（2）以边坡的坡顶或坡脚处一节点出现大变形或随时间发展的位移拐点作为评价标准；（3）以边坡计算云图中土体介质是否出现连续且贯通的塑性区作为评价标准。

3 稳定性分析结果

3.1 不同含石率

采用FLAC3D 软件分别对0%、10%、20%、30%、40%、50%含石率的土石混合体边坡在自重荷载下进行分析。 图3 为不同含石率剪切带和位移云图，图4 为不同含石率塑性区分布图。 图5 为不同含石率安全系数平均值。由图3、4 可知，0%、10%的低含石率边坡模型其剪切带为圆弧形，而随着含石率的增加，土石混合体边坡内部土体介质塑性区的形成规律发生了很大变化，表现为塑性区分布不均匀、塑性区被块石截断的现象。 土石混合型边坡在稳定状态下存在潜在的剪切滑动面，在边坡强度受到折减后该滑动面开始发育， 与纯土质边坡相比，滑动面将由单一、光滑的圆弧形滑动面逐渐变为多条曲折、较窄、绕石的滑动面，并与1 条较宽的主滑裂面相接。 土石混合体内部的土体介质难以形成自下而上连续贯通的剪切滑动面或塑性区。

图3 不同含石率剪切带和位移云图

图4 不同含石率塑性区分布图

图5 不同含石率安全系数平均值

随着块石含量的增加， 土石混合体边坡的抗滑安全系数整体上逐渐提高。 但从定量角度分析：（1）当边坡块石含量处于30%以下时，边坡整体强度主要取决于土体介质自身的强度，此时块石分布较为分散，因此块石与土体介质之间的相互作用部分相对于整体边坡而言偏少，块石阻碍土体塑性区贯通的趋势不足。 也就是说，在低含石率边坡情况下，块石含量的增加对边坡整体稳定性提升效果不明显， 安全系数随块石含量增加的提升较为缓慢。（2）当坡体块石含量介于40%～50%之间，随块石含量的增加，填充于土体之间的块石逐渐接触并发生相互作用，此时土体和块石共同承担坡体荷载。 因块石抗剪强度远高于土体介质，在同等荷载条件下块石受力达不到其塑性状态，因此使得土体塑性区不易贯通。 即在高含石率的情况下，边坡整体强度主要偏向于块石与土体介质之间的共同作用。 块石与土体介质的混合形成一种类似混凝土材料的不同粒径混合体，由块石充当混合体的主要骨架承受荷载，土体介质作为粒径较小的物料充填在受力骨架的孔隙间作为传力介质，当块石与土体介质配合比达到一定量时，边坡稳定性将迅速提升。 （3）在一定的含石率条件下，边坡块石含量的提高对边坡的抗滑稳定性更加有利。 在重力作用下，土体会随滑移面剪切，从而形成剪切带，然而在重力的作用下不足以使岩石发生剪切，因此剪切带在遇到岩石时产生绕石及分叉绕石效应。 根据坡体中块石空间位置分布不同，土石混合体边坡的剪切带可能会呈现出3 种较为典型的发育模式， 即 “分流”“包含”和“绕石”模式。 其中“分流”模式因遇石分叉，使剪切带沿着原先的圆弧线辐射开来，导致剪切带范围的扩大；“包含”模式是导致土石混合体边坡产生多滑动面的主要原因；“绕石”模式，改变了剪切带的位置，引起坡体剪切带的偏移。

3.2 不同坡度

基于30%含石率条件下，改变坡度，分别设置30°、35°、40°、45°、50°、55°的土石混合体边坡模型。在保持坡顶与坡高不变的前提下伸长基底，从而满足坡度变化条件。 图6 为不同坡度剪切带和位移云图，图7 为不同坡度安全系数平均值。由图6 和图7可知，随着坡度的增加，边坡的安全系数逐渐降低，其剪切带的范围逐渐增大，由坡角向坡顶处逐渐延伸，且坡底的集中应力也随之增大。

图6 不同坡度剪切带和位移云图

图7 不同坡度安全系数平均值

随着坡度的增加，土石混合体边坡的抗滑安全系数逐渐降低。 在坡度较低时，边坡的自重应力较小，边坡的滑动力较小，安全系数较高。 随着坡度的增加，在自重应力增加的同时，自重应力的切向分量比例也逐渐增大，此时边坡维持当前稳定状态更偏向于依靠自身粘聚力，当外部荷载来临，导致边坡强度下降时，即内摩擦角、粘聚力被折减，此时相对于坡度较缓的边坡，高坡度边坡更容易形成贯通滑动面，导致边坡的抗滑安全系数逐渐降低。 相对于土质边坡，土石混合体边坡中存在块石，在一定程度上提高了边坡稳定性，但相对于坡度增大所引起的滑动力，土石混合体所形成的抵抗变形效应尚且不足。 因此，尽管随着坡度的增加，模型的分叉绕石效应逐渐加强，但仍然导致土石混合体边坡产生多滑动面。 坡度的增加将导致边坡稳定性降低，而通过消减边坡坡度将有利于提高边坡稳定性。

4 结论

（1）相同坡度角条件下，由于石块的存在会产生“绕石”效应，随之边坡的含石率变化，坡度的安全系数也随之变化。 在低含石率的情况下，石头起到的作用较小，土石混合体边坡稳定性与土质边坡的稳定性相似。 当含石率高于30%时，边坡的剪切带发生分叉，塑性区向内偏移，显著提高了边坡的稳定性。 （2）相同含石率条件下，随着坡度的增大，土石混合体边坡的安全系数大幅度下降，边坡的稳定性也随之下降。 块石的存在在一定程度上提高的边坡的稳定性，但由于坡度的升高，坡体的滑动力大幅度提高，导致了边坡失稳。 （3）针对路堑土石混合体高边坡首先要注意其坡度， 当其坡度较大时，要考虑多级放坡与削坡， 以减小坡体产生的滑动力。 相对于土质边坡，土石混合体石块的存在有利于提高边坡稳定性，可以减少削坡工程量。