块石细长比对土石混合体边坡稳定性的影响.pdf

:./.块石细长比对土石混合体边坡稳定性的影响收稿日期:作者简介:苟志龙()男硕士助理工程师从事市政道路设计工作苟志龙(中联西北工程设计研究院有限公司陕西 西安)摘 要:作为一种非均质岩土介质材料土石混合体的宏观力学性质与内部块石细观结构密切相关 首先基于单元初始应力赋值法利用 内置 语言在较短的时间内计算出边坡安全系数为后续探明块石细长比对土石混合体边坡稳定性的影响奠定了基础 接着采用上述方法对土石混合体边坡稳定性进行分析发现块石细长比对土石混合体边坡剪切带和稳定性有较大的影响 随着块石细长比增加一方面剪切带的扩展形态由沿块石长轴两侧的土石界面分散分布逐渐过渡到沿潜在滑动面方向多级分布且逐渐向坡顶延伸而形成贯通的剪切带后边坡发生局部分级破坏另一方面边坡安全系数逐渐减小表明块石细长比对边坡稳定性的影响越来越小关键词:土石混合体边坡块石细长比剪切带破坏模式稳定性中图分类号:.文献标识码:文章编号:()引言土石混合体是指第四纪以来形成的由具有一定工程尺寸且强度较高的块石、细粒土体及孔隙构成的极端不均匀松散岩土介质系统 不同于一般的土体或岩体土石混合体的力学行为受到诸多因素的影响如含石量、块石的结构特性以及块石的长轴倾角、是否浸水等等 由于地层应力水平的方向异性和长时间河流冲刷作用土石混合体中块石多为长棒状或椭球状 块石的这种形状特征可采用块石细长比来量化描述是指块石轮廓最小面积矩形包围和短轴与长轴的比值它反映了块石轮廓的全局面貌块石整体上越接近正方体或球形该值越接近 统计表明成都地铁 号线沿线卵石细长比在.区间内长轴最大值为 且卵石细长比随卵石土中的卵石含量呈截尾正态分布成都地铁 号线地层中砂卵石细长比集中在.之间长轴最大值达到 且随着地层埋深的增加细长比逐渐增加三峡库区某堆积层土石混合物中块石细长比与长轴尺寸服从对数正态分布且长轴尺寸的均值和方差均与土石混合体含石量呈线性关系块石细长比对土石混合体宏观力学性质及其边坡稳定性具有重要的影响 近年来国内外许多学者用不同的方法对土石混合体模型生成方法及其边坡稳定性进行了研究并且取得了一些有价值的研究成果 基于 编程理论一些学者建立了不同块石形状的土石混合体模型如 等利用统计学回归分析法生成了不同细长比的块石并基于蒙特卡洛块石随机投放程序建立了土石混合体随机模型 该研究虽提出了一种生成土石混合体随机结构模型的方法但块石投放效率较低且所得模型含石量不高 和 等运用数字图像处理技术建立了具有真实颗粒形状的土石混合体模型并利用有限元软件进行了数值模拟 该法是在真实形状的基础上不能用于研究材料本身属性如块石细长比对土石混合体力学性能的影响 考虑到 内置强度折减法耗时计算效率低有学者对其进行了改进如陈育民等提出了基于二分原理的强度折减法求解安全系数但该法需重复计算初始应力低效耗时 基于数值计算和力学试验方法部分学者分析了材料本身属性对土石混合体边坡剪切带扩展模式和破坏形态的影响 如龚健等采用 分析技术分析了静力超载作用下含石量对土石混合体边坡破坏形态的影响研究表明:含石量对边坡剪切带扩展模式和破坏形态有显著的影响 邵帅等通过有限元法研究了块石空间分布对土石混合体边坡稳定性的影响 发现土石混合体边坡内部剪切带具有明显的“绕石”效应不同位置的块石对边坡稳定性产生的影响不同 然而当土石混合体内部块石尺寸和含石量一定时边坡沉降和稳定性与内部块石形态及分布如块石细长比和长轴倾角等有密切关系 总体而言以往大多研究含石量对土石混合体边坡稳定性的影响而块石细长比对土石混合体边坡剪切带扩展模式和破坏形态的影响规律的研究还显得不够基于以上分析为研究块石细长比对边坡塑性剪切带形态特征和稳定性的影响 首先利用 内置 语言通过单元初始应力赋值法计算边坡安全系数并与 内置法和陈育民法采用的计算边坡安全系数法进行对比结果表明本文提出的方法在保证足够的计算精度时用时最少可用于计算边坡稳定性 接着利用改进的折减法计算不同细长比块石边坡的安全系数进而探讨块石细长比对边坡塑性剪切带形态特征和稳定 第 卷 第 期 年 月 山西建筑 .性的影响 对比不同细长比块石边坡的计算结果分析块石细长比对剪切带的扩展形态以及边坡破坏模式的影响 改进的有限元强度折减法.强度折减法基本原理通常认为初始计算参数值与修正后的不可接受参数值(不可接受结果开始出现时的参数值)的比值就是安全系数当安全系数大于 时意味着情况可以接受当这一定义用于边坡时便可判断边坡稳定性 其中强度折减法是计算边坡安全系数常用的方法之一该法定义为:使边坡刚好达到临界失稳状态时对土石材料黏聚力 和内摩擦角 折减的幅度亦为岩土体的实际抗剪强度参数与临界破坏时剪切强度的比值可记为式()式()()()其中为边坡安全系数分别为临界破坏状态时边坡的内聚力和内摩擦角可以看出强度折减法的关键是利用式()和式()不断调整岩土体的 值和 值重复计算边坡稳定性直至达到临界破坏状态为止 但对于网格数较多的复杂模型采用 软件内置 命令需要的运算时间较长.强度折减法的改进为省去边坡初始应力重复计算过程更好地提高边坡稳定性分析效率利用 语言将 内置折减法中初始应力重复计算过程替换为单元应力赋值操作具体做法是用单元指针命令遍历所有单元将获取的单元编号和初始应力数据存储在矩阵中并在求解安全系数的迭代计算中直接读取单元初始应力值这既能始终保持初始应力在整个迭代运算中不变也能省去迭代中初始应力计算所用的时间为验证改进强度折减法的计算精度和效率分别用三种方法(如表 所示)求解 等给出的均质边坡模型(方向只取.并约束该方向的速度值)安全系数并比较边坡最大位移、计算用时等其中土体物理力学参数及边界条件与文献一致计算结果见表 由表 可知改进强度折减法得到的安全系数和边坡最大位移分别为.和.与陈育民法和 法得到的结果基本一致所用时间为 比陈育民法和 法分别少 和 图 为 种计算结果对比图可以看出改进强度折减法的计算结果小于陈育民法而大于 法的总体而言各计算值与陈育民法和 法非常接近 因此改进强度折减法省时计算结果精确可信表 不同方法计算结果对比方法最大位移/不平衡比时步时间/法.大量 陈育民法.改进法.图 13 种方法计算结果对比（参数最大值）1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.1剪应变增量*(E-4)水平位移*(E-1)水平速度*(E-5)最大主应力*(E+5)最小主应力*(E+3)水平应力*(E+5)陈育民法；改进法；Solve FOS 法计算结果 土石混合体边坡稳定性分析采用改进有限差分强度折减法对不同细长比块石边坡进行稳定性分析计算并对比分析不同细长比块石边坡的计算结果 为便于分析计算时对块石和土体强度参数进行等比例折减.土石混合体边坡数值模型的建立为降低模型边界对计算结果的影响边坡尺寸范围选取原则为:坡脚距临近坡脚端边界的水平距离应为坡高的.倍左右坡顶距临近坡顶端边界的水平距离应为坡高的.倍上下边界总高不应低于 倍坡高具体见图 为避免各因素间的耦合影响在探讨块石细长比对土石混合体边坡稳定性的影响时将块石长轴倾角、含石量等因素设为定值 根据文献研究结论计算中块石长轴倾角取 含石量为.图 2边坡计算模型及边界条件12.55.07.5块石；土体；长轴；短轴605.05.0单位：m文献 统计结果表明块石细长比通常位于.区间因此在探究块石细长比的影响规律时块石细长比分别取.和.同时根据徐文杰建议本文块石长轴大小为 采用 映射网格功能对土石混合体边坡进行网格划分生成四面体单元 网格模型的左右边界采用水平约束下边界采用水平和竖向约束 块石和土体的物理力学参数列于表 由于边坡体是由松散的土石混合体组成计算中不考虑构造应力作用采用 本构关系并按照非关联流动法则计算第 卷 第 期 年 月 山西建筑 表 土石混合体材料计算参数组别 密度/()弹性模量/泊松比内聚力/内摩擦角/()块石.土体.组别法向刚度/切向刚度/黏聚力/摩擦角/()土石界面.块石长短轴对土石混合体边坡稳定性影响分析.内部应力场及位移场特征为研究块石细长比对土石混合体边坡稳定性的影响采用改进强度折减法分别对块石细长比为.和.的土石混合体边坡进行稳定性分析得到了边坡的竖向应力云图和位移等值线云图如图图 所示图 3竖向应力场云图-8.085 8E+02-4.000 0E+04-8.000 0E+04-1.200 0E+05-1.600 0E+05-2.000 0E+05-2.400 0E+05-2.442 7E+05-8.094 2E+02-4.000 0E+04-8.000 0E+04-1.200 0E+05-1.600 0E+05-2.000 0E+05-2.327 7E+05-7.007 3E+02-5.100 0E+04-1.020 0E+05-1.530 0E+05-2.040 0E+05-2.550 0E+05-2.659 0E+05单位：Pa2.899 9E+040.000 0E+00-5.100 0E+04-1.020 0E+05-1.530 0E+05-2.040 0E+05-2.550 0E+05-3.060 0E+05-3.159 9E+05（a）细长比 1.0（b）细长比 0.9（c）细长比 0.7（d）细长比 0.5从图 图 可以发现块石细长比对土石混合体边坡内部竖向应力场及位移场分布有明显的影响 可以看出当块石细长比减小时坡体内块石下面越来越多的土体应力值变大不同应力值呈锯齿状交错分布的现象越明显 分析出现这种现象的原因可能是由于块石的重度和刚度比土体大很多当细长比越小时块石越接近长棒状此时呈倾斜分布块石的重量通过长轴端部作用图 4位移场等值线云图单位：m0.01 0.020.03 0.040.050.060.070.080.090.10.110.120.130.010.020.030.040.050.060.070.080.090.10.005 0.01 0.0150.02 0.025 0.03 0.0350.04 0.045 0.05 0.055 0.060.0050.010.0150.020.0250.03 0.0350.040.0450.050.055（a）细长比 1.0（b）细长比 0.9（c）细长比 0.7（d）细长比 0.5于周围土体导致该区域内土体的竖向应力大于同层上其他部位土体的竖向应力随着块石细长比减小土石混合体边坡位移量逐渐减小且位移等值线逐渐由坡面向边坡内部移动当细长比为.时最大位移达到 当细长比减小到.时边坡内最大位移只有.这是因为随着块石细长比减小倾斜分布于土体中的长棒状块石起到了微型抗滑桩的作用增加了边坡整体的抗剪强度因而边坡整体变形位移量很小 这与孙书伟等的计算结果基本一致说明了对边坡位移变化分析的合理性.块石细长比对剪切带扩展模式的影响对于各向同性的均匀土体介质材料破坏服从最大剪应力比破坏准则从而确定剪切破坏面与最大主应力作用面的夹角为 /(以下简称为破坏角方向)其中是土体材料内摩擦角 对于土石混合体由于土体的抗剪强度比块石要小的多位于传力路径上的土体应力状态首先达到材料的抗剪强度发生剪切破坏并沿破坏角方向扩展如图 所示 当剪切路径受到块石阻碍时将沿块石与土体的接触面延伸并最终形成贯通的剪切滑移带 然而剪切带经过的土 石界面倾角对剪切路径有较大的影响当土 石界面倾角与土体破坏 第 卷 第 期 年 月 苟志龙:块石细长比对土石混合体边坡稳定性的影响角方向相同时(图 中 点和 点)剪切路径的延伸与在土体中基本一致 此时土石混合体的抗剪强度取决于土的抗剪强度当土 石界面倾角与土的破坏角方向存在夹角时(图 中 点、点、点和 点)剪切滑移带将发生偏转后绕石延伸剪切路径也变长 剪切路径增长会引起更多的能量消耗从而提高了土石混合体的抗滑稳定性 而且界面偏角与土体破坏面的夹角越大剪切带越曲折路径越长土石混合体抗剪强度提高程度越明显图 5土石混合体中剪切带“绕石”示意图剪切路径；土体破坏方向块石；偏转点 偏转角；123456从图 中可以看出不同细长比块石对土石混合体边坡剪切带开展模式的影响不同 具体来说当块石细长比较大时沿边坡潜在滑动面方向出现了明显的塑性剪切带(图中黑色线条所示)且有贯通的趋势当块石细长比较小且长轴近似垂直边坡潜在滑动面时边坡内沿潜在滑动面方向分布有少量剪切带(图中黑色线条所示)笔者认为造成以上现象的原因是由于块石细长比对剪切带演化起到了双重作用 一方面由于块石与土体的接触面是受力变形的薄弱区域当块石细长比较小时沿潜在滑面的土 石界面长度较短因此该方向剪切带分布少且剪应变增量值小另一方面强度较大的块石长轴垂直潜在滑动面使边坡的抗剪强度有所提高这在一定程度上阻碍了剪切带的扩展甚至贯通 当块石细长比接近.时沿潜在滑动面方向形成了明显的塑性剪切带(图中黑色线条所示)此时块石空间分布成为影响剪切带扩展的主要因素由于坡脚剪出区块石的干扰剪切带发生了明显的分叉绕石现象这与邵帅等研究结果一致(滑动面位置块石会改变剪切带扩展的模式)进一步分析发现当细长比较大时剪切带扩展方向和模式受块石细长比影响减小不仅扩展方向发生了明显的偏转由垂直坡面变为平行潜在滑动面而且在主剪切带外侧的潜在滑动体内产生了次级剪切带方向与主剪切带基本一致当块石细长比较小时剪切带沿块石长轴两侧分布于土 石界面部位各自发展且相互影响有限形成了彼此孤立分散且形状不规则、平顺光滑性较差的剪切带群 由此可见随着块石细长比增加一方面块石阻碍剪切面沿顺坡方向扩展的几率逐渐减少块石抗滑作用减弱边坡内部抗剪强度降低另一方面垂直坡面的土 石界面长度减少剪切带沿界面延伸的长度也减少 此外由于坡脚处块1.608 5E-011.440 0E-011.260 0E-011.080 0E-019.000 0E-027.200 0E-025.400 0E-023.600 0E-021.800 0E-023.218 2E-06图 6不同细长比块石边坡剪应变增量云图9.155 5E-029.000 0E-028.000 0E-027.000 0E-026.000 0E-025.000 0E-024.000 0E-023.000 0E-022.000 0E-021.000 0E-025.557 6E-061.444 2E-011.440 0E-011.260 0E-011.080 0E-019.000 0E-027.200 0E-025.400 0E-023.600 0E-021.800 0E-022.359 4E-062.486 2E-012.400 0E-012.200 0E-012.000 0E-011.800 0E-011.600 0E-011.400 0E-011.200 0E-011.000 0E-018.000 0E-026.000 0E-024.000 0E-022.000 0E-022.051 3E-06（a）细长比 1.0（b）细长比 0.9（c）细长比 0.7（d）细长比 0.5石的干扰坡脚剪出区的剪切带出现了明显的分叉现象在坡脚分成多个剪切带扩展到坡面这对边坡稳定性较为有利.块石细长比对边坡安全系数的影响基于强度折减法图 给出了块石细长比与边坡安全系数的曲线关系 从图 中可以发现随着块石细长比增大边坡安全系数逐渐减小最终接近.而大于临界值.这说明边坡抗滑力大于下滑力整体安全稳定且块石细长比对边坡稳定性影响越来越小 之所以会出现上述变化趋势笔者认为首先细长比小的块石边坡中剪切带垂直坡面沿块石两侧分布各剪切带长度短 绕石效应明显很难贯通形成完整的滑动带 并且不连续的多剪切带的存在可以有效地消耗土体的滑动势能这对提高边坡稳定性有利其次剪切带上的块石不但使原本会发生塑性破坏的土体未发生屈服破坏而且很好地补偿了周围土体因破坏而丧失的抗剪强度因此块石细长比小的边坡稳定性越好 也可理解为细长比小的块石垂直坡面分布在边坡内其作用与微型抗滑桩相似 块石上局部土体应力状态超过土抗剪强度后产生失稳滑移趋势 根据运动学知识该土体第 卷 第 期 年 月 山西建筑 欲向下滑动则需要克服较大的阻力推动块石发生转动或绕过块石继续滑动因此细长比越小的块石对土体运动阻碍作用越明显对提高了土石混合体边坡的整体稳定性更有利图 7土石混合体边坡安全系数与块石含量关系曲线1.221.201.181.161.141.121.100.50.60.70.80.91安全系数；安全系数拟合曲线安全系数块石伸长率y=5x4-18x3+23x2-14x-14以上分析可知随着块石细长比增加垂直坡面的剪切带长度变短数量减少而顺坡向剪切带长度增加出现主次剪切带并存且贯通边坡现象 因此根据块石细长比的影响不同可将边坡剪切带扩展模式分成两类即垂直坡面扩展模式和平行坡面的多剪切带分叉模式(如图 所示)对于垂直坡面扩展模式由于土 石界面抗剪强度较低剪切带多出现在块石长轴两侧剪切带长度短相互间影响有限且沿顺坡向剪切带较少破坏模式与设置微型抗滑桩边坡相似对于多剪切带分叉模式这种模式受块石细长比影响较小剪切带多沿着或平行潜在滑动面绕过块石扩展受块石分布干扰时发生分叉或分级扩展最终形成主次级连通的网状模式因此在自重或地震等荷载影响下边坡失稳后往往发生渐进式分级破坏 基于本数值模拟结果破坏模式的转折点位于块石细长比.的区间内这对于此类边坡的防护及整治工作具有指导性意义图 8不同细长比块石边坡剪切带模式示意图（a）垂直坡面扩展模式（b）平行坡面的多剪切带分叉模式剪切带；块石剪切带；块石 结论块石细长比是影响土石混合体边坡稳定性的重要因素之一 本文采用改进的抗剪强度折减法对含不同细长比块石的土石混合体边坡稳定性开展分析得出如下结论:)块石细长比对边坡内应力场、位移场分布有一定的影响 一方面边坡内竖向应力场由坡面到坡底呈均匀梯度水平层状递增分布变为局部呈锯齿状交错相间分布且块石细长比越小应力分布锯齿状现象越明显另一方面边坡位移变化不均匀位移等值线曲折不平滑随着块石细长比增大边坡最大位移量逐渐增大且位移等值线逐渐向滑动面移动)通过对比不同细长比块石土边坡剪应变增量云图得到了边坡内剪切带的演化特点 当块石细长比较小时剪切带沿块石长轴两侧的土 石界面分布长度较短相互影响有限当块石细长比较大时剪切带沿平行潜在滑动面位置分布并且出现次级剪切带这时块石细长比对剪切带的影响很小而块石空间分布对剪切带扩展的影响更加明显)块石细长比对剪切带的扩展模式有明显的影响 分析结果显示随着块石细长比增加剪切带呈现出两种差异较大的绕石扩展模式即垂直坡面扩展模式和平行坡面的多剪切带分叉模式 对于垂直坡面扩展模式剪应变增量值较小主要分布在块石长轴两侧长度较短相互影响较少对于平行坡面的多剪切带分叉模式主次多个剪切带在开展过程中将绕过块石骨架在块石周边和土体中相互贯通最终成网状)随着块石细长比增大边坡安全系数及其变化幅度逐渐减小说明块石细长比对边坡稳定性有显著的影响且影响程度逐渐降低参考文献:徐文杰胡瑞林.土石混合体概念、分类及意义.水文地质工程地质():.油新华汤劲松.土石混合体野外水平推剪试验研究.岩石力学与工程学报():.李维树丁秀丽邬爱清等.蓄水对三峡库区土石混合体直剪强度参数的弱化程度研究.岩土力学():.李世海王远年.三维离散元土石混合体随机计算模型及单向加载试验数值模拟.岩土工程学报():.张佩杜修力金浏等.块石长轴倾角对土石混合体宏观力学性能的影响研究.工程力学():.():.第 卷 第 期 年 月 苟志龙:块石细长比对土石混合体边坡稳定性的影响 王振峰.卵石地层中地铁隧道盾构施工引起的地表沉降研究.西安:西安科技大学建筑与土木学院:.牟迪.成都地铁四号线砂卵石层分布规律及工程特性研究.成都:西南交通大学土木工程学院:.张 抒唐辉明.基于细观统计规律的土石混合体随机模型研究.人民长江():.():.():.陈育民徐鼎平./基础与工程实例.版.北京:中国水利水电出版社:.龚 健刘 君.基于 分析的含石量对土石混合体边坡破坏过程及模式的影响.岩土力学():.邵帅季顺迎.块石空间分布对土石混合体边坡稳定性的影响.工程力学():.张江伟李小军王晓明等.土质边坡地震稳定性状态判定方法研究.岩土工程学报():.():.:.李默然.基于 的白云鄂博铁矿东矿边坡稳定性研究.包头:内蒙古科技大学土木工程学院:.唐建一徐东升刘华北.含石量对土石混合体剪切特性的影响.岩土力学():.:.():.孙书伟朱本珍马惠民等.微型桩群与普通抗滑桩抗滑特性的对比试验研究.岩土工程学报():.金磊曾亚武李欢等.基于不规则颗粒离散元的土石混合体大三轴数值模拟.岩土工程学报():.(.):.:第 卷 第 期 年 月 山西建筑