陈敬财 张前奇 唐小山 黎华宇 陈帅

摘要：自然界中存在一种启动突然、下滑迅速且解体严重的边坡，对当地人民的生命财产造成了重大损失。这类边坡在产生滑动之前未发生明显的变形迹象，这就给预警工作带来诸多难度。根据现有统计发现云南地区发生此类滑坡较多，而云南地区分布较广的花岗岩残积土是一种较为典型的结构性较强的土体，这些现象之间似乎存在某种必然联系，即此类滑坡与土体的高结构性强度有关。但目前对这类边坡还缺乏系统深入的研究。本文旨在利用PFC2D软件模拟不同结构性强度边坡在自然失稳条件下的解体程度和位移特征。结果表明：结构性强度越高的边坡整体位移越小，说明结构性强度越高前期蠕变阶段越小，边坡失稳是突发性的。另外结构性强度高的边坡相较于结构性强度低的边坡滑动面也更小，说明土体边坡结构性是影响边坡稳定性的重要因素之一。

关键词：PFC2D;离散元法;数值模拟;结构性土

边坡稳定性一直都是岩土工程研究中的重要课题，政府和社会为治理这些地质灾害投入了大量的工程经费，因此很有必要加强对边坡方面的研究。一般的边坡产生滑坡大多会发生蠕变变形这一前期阶段。因此可以得到提前预警预防发生重大事故。而以上所提到的滑坡并没有明显的蠕变变形这一前期阶段。边坡失稳之后直接进入剧滑阶段，根据以往研究所知发生这种没有前期变形积累的突然快速下滑说明边坡失稳后其滑动面强度发生了快速的下降。根据这一特点和现有对滑坡的认识，一个合理的假设就是发生该类滑坡的边坡体存在较大的结构性强度[3]，林威[5]研究得出土体结构性的存在增强了土体抵抗外荷载破坏的能力，但一旦结构受到破坏边坡稳定性就会急剧下降的结论;刘邦安[6]通过实验发现结构性土边坡的静力破坏具有均匀变形不明显，表现出一定脆性破坏的特征。因此将土体结构性作为边坡稳定性的一个影响因素进行研究十分必要。这对于以后防灾减灾技术的发展有重大意义。

一、数值分析方法

（一）数值模型

PFC主要提供两种建模方法即ball-ball法和ball-wall法，ball-ball 法是滑坡体和基岩均采用颗粒进行填充，适用于滑动面未知的情况。ball-wall 法是滑坡体采用颗粒填充而基岩采用墙体进行模拟，适用于滑动面已知的情况。由于本文研究的结构性土坡滑动面位置未定，故采用ball-ball法进行建模。

（二）参数选取

PFC2D数值模拟要能真实反映实际边坡工程的变形特点必须要对其参数的选取达到很接近工程实际的程度，微观参数的选取通常是在PFC2D中进行反复的虚拟双轴压缩试验[4]得到应力-应变曲线与室内压缩试验曲线进行匹配，最终得出滑坡体的微观力学参数。通过先前学者所进行实验所得到在PFC中宏观参数与微观参数的实验数据对比如下表。

二、模型建立

（一）建模

首先根据不同的颗粒属性、接触特性等分别建立不同的边坡地层，按坡体结构性的高、中、低顺序排列。然后对边坡地层进行削坡如下图所示。根据上述分别按高、中和低结构性强度土体进行微观赋值。然后在自重下自然填充保持平衡。然后对地基进行削坡70°操作，再对不同组的颗粒与颗粒和颗粒与墙之间设置接触参数，最后用solve设置平衡条件求解。使得三种边坡在自重条件下缓慢由平衡状态转化为失稳状态，并得到最终的边坡失稳位移图。

（二）结果及其分析

最终边坡在失稳之后不同强度结构性土坡位移运动特征如下图表示。

如上图所示可得高强度结构性边坡最大位移较小，并且整体上运动的颗粒数较小并且滑动面不大，中强度结构性边坡最大位移较大整体上运动颗粒数较多，滑动面略大于高强度边坡。低强度结构性边坡最大位移接近于高强度边坡，但是整体上运动的颗粒数量最多，并且滑动面也是三个中最大的一个。从上述模拟结果可以看出：高结构性强度边坡的运动范围较小，说明它在失稳之前尚未发生明显的蠕变阶段而是突然失稳，而从中、低结构性强度边坡的位移云图来看边坡失稳前都不同程度的发生了一定的蠕变。上述结果表面土体的结构性强度确实会对边坡失稳的突发性产生影响。

三、结论

以离散元数值模拟为基础，对土体结构性强度对边坡稳定性的影响进行了分析。所得结论如下：

1.从前期位移来看，边坡结构性强度越高，则前期位移越小，說明结构性强度越高其前期蠕变越小，边坡失稳突发性越高。

2.边坡土体的结构性强度越高则其失稳后的最终位移越小，运动的颗粒数量也较少，说明其失稳突发性高，对其进行预警更加困难。

参考文献：

[1]张维顺. 云南省镇雄县赵家沟高速远程堆积层滑坡形成机制研究[D].成都理工大学，2014.

[2]殷跃平，李滨，王文沛，等. 深圳“12·20”渣土场灾难滑坡成灾机理与岩土工程风险控制研究[J].Engineering，2016（ 2） ：176 - 216.

[3]刘恩龙，沈珠江. 结构性土的强度准则[J].岩土工程学报，2006，28（ 10） ：1248 - 1252.

[4]焦玉勇，王浩，马江锋.土石混合体力学特性的颗粒离散元双轴试验模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2015，34（ S1） ：3564 - 3573.

[5]林威. 花岗岩残积土结构性与边坡稳定分析[D].福州大学，2014.

[6]刘邦安. 结构性土坡与粘性土坡的动力变形和破坏特性研究[D].清华大学，2008.

基金项目：重庆科技学院校级科创项目《堆积层边坡溃决式下滑的模拟》;项目编号：YKJCX2020661

作者简介：陈敬财（1996-），男，汉族，重庆人，硕士研究生，主要从事岩土工程研究