巨石混合体边坡失稳模式探究

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1、巨石混合体边坡失稳模式探究　　摘要：运用离散元数值模拟方法，对具有大块石堆积特征的巨石混合体边坡的失稳模式进行了研究。结果表明，巨石混合体边坡中块石表面摩擦系数的降低会导致边坡的运动变形，变形模式以块石的平移为主，个别块石发生转动；块石在变形过程中重新镶嵌、咬合，具有自稳性；巨石混合体边坡主要的失稳范围为坡体的前缘和中部，竖直方向上坡体中上部的变形量较大，坡体下部变形量较小；前部块体的变形会导致后部块体失去支撑而发生变形，属牵引式的失稳模式。关键词：巨石混合体；边坡；失稳模式；离散元中图分类号：P642；TU43文献标识码：A

2、文章编号：16721683（2013）05011204在我国西南山区普遍存在一类由尺寸较大的块石堆积而成的边坡，块石尺寸一般大于1m，可称其为“巨石混合体边坡”[1]。巨石混合体边坡一般由早期的滑坡或崩塌等原因形成，块石之间杂乱堆积，相互镶嵌、咬合，一般稳定性较好。随着我国现代化建设步伐的加快，工程建设中经常遇到与巨石混合体边坡稳定性有关的问题，如国家天文台“5007m口径球面射电望远镜”（FAST）台址开挖支护中就涉及巨石混合体边坡的开挖稳定性判断与支护的问题[24]。殷跃平[1]首次提出了“巨石土混合体滑坡”的概念，对丹巴

3、县城滑坡的稳定性进行了有限元计算，认为常用的滑坡稳定性分析方法应用于巨石土混合体滑坡中存在较大误差，应注重滑体结构对滑坡稳定性的影响。闫金凯[2]利用离散元数值模拟的方法对FAST台址巨石混合体边坡的开挖稳定性进行了研究。朱彦、唐韬等[34]认为堆石体的稳定系数与安息角有关。张玉军[5]使用平面离散元法（UDEC）和有限元法对小湾水电站左岸坝前堆积体在自然状态下的稳定进行了二维数值计算与分析，得到该堆积体应力和变形状态的定量结果，对堆积体的稳定性有了相应的认识。李树武、陈强等[67]认为堆石体的天然休止角可作为其内摩擦角。巨石

4、混合体边坡独特的组构特征导致了其变形失稳形式可能与一般的土体和岩体边坡有很大的不同。明确其变形失稳模式，是正确评价其稳定性及科学合理防治的基础和前提。本文通过数值计算，选取某巨石混合体边坡为研究对象，对降雨工况下巨石混合体边坡的失稳模式进行研究，为此类边坡的稳定性评价及防治提供参考。1巨石混合体边坡特征选择的巨石混合体边坡宽约86m，长约60m，面积约5100m2，平均厚度约9m，体积约45900m3。边坡主要由碎、块石组成（图1），局部夹薄层黏土，块石含量90%以上，块径03～507m，结构松散，多处架空，岩芯多呈柱状、短柱

5、状，少量呈碎块状。基岩为三叠系中统凉水井组三段（T2l3）浅灰色、灰白色、褐黄色薄至中厚层状白云质灰岩。2巨石混合体边坡失稳模式的数值模拟2.1计算模型建立模型构建时以图2所示的剖面为计算剖面，将基岩视为连续体，巨石混合体视为离散体。为实现块石堆积的结构特性，采用随机块体生成方法[7]进行块石的生成。生成模型时，先建立基岩模型，然后随机生成巨石混合体的块体模型。由于生成的块体模型之间存在空隙，即块体不是紧密接触的，因此块体生成后先使其在重力作用下进行固结，待其稳定后按坡体剖面形状将多余的块体去除，所得的模型即为最后的计算模型，

6、见图3。计算模型中充分考虑了块石形状、级配以及堆积形态的随机性。2.2计算条件块石（Group1）与基岩（Group2）均采用莫尔-库仑模型，其参数见表1。块石与块石之间、块石与基岩面之间均为离散的接触关系，接触面间的计算参数见表2。本次计算主要通过对块石间摩擦系数的折减进行巨石混合体边坡的失稳模式研究。由于块石间的黏聚力为零，所以主要是对块石之间的摩擦角进行折减。本次模拟按块石表面摩擦角折减为30°、25°、20°进行计算，为后续叙述方便，分别称为模拟一、模拟二、模拟三。7为监测坡体各部位的位移情况，在坡体上设置10个位移监

7、测点，见图4。其中，一部分是坡体表层位移测点，从后缘至前缘共布设了6个，记为测点1-测点6；另外在坡体内部布设了两条测线，监测坡体竖直方向的位移变化规律，其中测线一位于坡体中部，从上到下布置了测点4、9、10三个测点，测线二位于坡体前缘，从上到下布置了测点5、7、8三个测点。2.3计算结果与分析图5为三种模拟滑体的位移云图及位移矢量图。模拟一中，发生运动的块体主要位于坡体前缘和中部，后缘的块体基本没有移动。块体的运动以沿基岩面方向的滑移为主，个别块体发生转动现象。模拟二、模拟三中，随着块石间摩擦角的进一步降低，块石的位移量逐渐

8、增大，且带动后缘的块石发生运动变形，整个坡体的位移以沿基岩面的滑移为主，变形较大的区域仍为坡体前缘和中部。块石表面摩擦角降低时，块石之间的摩擦力降低，导致巨石混合体中块石之间力的平衡状态被打破，块石发生运动。块石运动变形后，使得其后部的块石有了变形运动的空间，会诱发后部块石的