张明磊，韦小超，程卫祥，周光，查甫生，胡传庆，杨志龙
（1.中能建建筑集团有限公司，安徽 合肥 230088；2.广州环投从化环保能源有限公司，广东 广州 510947；3.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）
1 引言
土石高填方边坡受多种因素影响，如土体的不同含石量、不同块石粒径、不同降雨强度。尤其降雨强度对土石高填方边坡影响最大，为了研究高填方边坡不同降雨条件下边坡稳定性影响，以广州市第七资源热力电厂二期工程及配套设施项目开挖建设过程中遇到的土石混合料回填后形成边坡为例开展相关研究。
在土石高填方边坡稳定性分析方面，多位学者开展了相关研究，Shakoo[1]等通过大型直剪试验研究了含砾石黏土强度特性，当含石量<40%时，抗剪强度随着含石量增大而缓慢提高，而当含石量>40%时其抗剪强度急剧提高，无侧限抗压强度随含石量增大呈现减小趋势。Hamidi等[2-3]通过理论分析和大尺度直剪试验研究了砂石混合体的抗剪强度，并认为60%含石量是影响砂石混合体的一个临界值。Vallejo等[4-5]研究了土石混合体内部含石量对其抗剪强度的影响，认为40%、70%的含石量是混合体的两个临界指标。SavelyJP[6]、田永铭[7]等通过试验发现随着含石量增加，土石混合体内摩擦角上升，粘聚力减小；当基岩上覆土石混合体时，含石量大小对土石混合体粘聚力影响不大，其值近似于基质材料的粘聚力。
由于土石混合体尺度较大，且具有非均质、非连续、非线性等特点，通过传统的实验研究会有一定的局限性，数值模拟则可以从不同角度分析变形破坏机理、强度特征等力学特性，成为研究土石混合体力学性能及破坏原理的重要手段。Z.Q.Yue[8]利用有限单元的方法模拟了经典巴西劈裂试验并与真实试验进行对比，研究发现土石混合体材料的非均质性对试样拉应力的分布有重要影响。油新华[9]采用FLAC3D有限差分程序对块石在土石混合体中的力学效应进行了详细分析，指出块石含量、形状及分布对土石混合体的变形破坏起着控制作用。范永波等[10]采用CDEM对不同边界条件下土石混合体破坏机制进行模拟，得出等位移边界条件所得不均匀地质体参数相对于同等应力边界条件来说是不安全的。
2 地质概况
研究区位于广州市从化区鳌头镇潭口村，场地处于丘陵地貌单元之中，微地貌单元由低丘、丘间洼地、冲沟组成。地势整体呈东高西低，地面高程为54.15m～132.00m，高差77.85m，山丘自然坡度一般为 15°～35°，局部达 40°以上。研究区地基土覆盖层自上而下分别为第四系人工填土层（Q4ml）杂填土、素填土，坡积土层（Q4dl）粉质黏土，冲积土层（Q4al）粉质黏土、淤泥、砾砂以及残积土层（Q4el）砂质黏性土。下伏基岩为燕山期（γ5）花岗岩。场地整平后其周边将在原始低丘、丘间洼地、冲沟位置形成高填方边坡，边坡坡度20°～25°之间，边坡高度约20m。
3 岩土力学参数
在研究区选择典型地层岩土样，采取原土样进行室内土工试验，得到了各种岩土体力学参数，具体如表1所示。
岩土体力学参数 表1
4 不同块石粒径土石混合体边坡稳定性分析
分析程序采用迈达斯模拟软件，开展了二维模型计算分析。当土石混合体边坡含石量保持不变时，改变土石混合边坡中块石的颗粒大小，研究块石粒径对土石混合边坡的稳定性影响，在下文模拟中选取含石量为40%的情况建立模型，分别研究粒径15cm、30cm、50cm情况下的边坡稳定性。边坡位移计算结果如图1～图3所示。
图1 粒径15cm位移计算结果云图
图2 粒径30cm位移计算结果云图
图3 粒径50cm位移计算结果云图
由图可知，随着块石粒径的增加，安全系数并无明显改变，因为含石量一定，整体的力学性质不发生改变，但随着块石粒径的增加，边坡的位移发生了改变。当粒径为15cm时，边坡位移呈现有规则的滑移，从坡顶延伸到坡脚，能看出明显滑动带。随着粒径增加到30cm时，边坡位移增大，整个边坡产生位移，且滑动带呈现不规则形状。当粒径增加到50cm时，边坡无明显滑动，由于坡脚处应力集中，位移位置仅在坡脚处产生破裂滑移，对整个坡体无明显影响。能看出随着粒径的增加，位移的范围越来越广，边坡位移也逐渐沿不规则滑动面滑动，这是由于边坡滑动时，土体会首先屈服，块石仍然处于弹性状态，因此块石粒径越大，整个坡体的抗剪能力越强，产生位移越小，且边坡受力沿着土体与块石的粘结面产生位移，所以块石粒径越大，边坡产生的位移面越不规则。
5 不同降雨强度下土石混合体边坡稳定性分析
需模拟降雨入渗对边坡岩土体的影响，非饱和特性函数及其参数的选取对计算结果具有重要影响，现选取包气带岩土体水力特征中常用的V-G函数，通过室内试验获得边坡岩土体水力计算参数，所需参数见表2。
V-G函数模型参数表 表2
相关资料表明，广州市从化区年平均雨量1800mm～2200mm，春季和夏季降水较多，夏季暴雨频发，该场地土石边坡中含有大量膨胀性黏土，具有遇水膨胀等致灾特性，渗流对边坡稳定性具有重大安全隐患。根据该区域降雨量特点，结合表3选取小雨、大雨、暴雨、特大暴雨四个降雨强度，进行不同降雨强度下边坡稳定性计算，按降雨强度分别设置12小时降雨量5mm、30mm、70mm、150mm。分别计算不同降雨强度下边坡位移及应变。边坡位移计算结果如图4～图7所示。
降雨强度表 表3
图4 小雨强度位移计算结果云图
图5 大雨强度位移计算结果云图
图6 暴雨强度位移计算结果云图
图7 特大暴雨强度位移计算结果云图
当降雨强度为特大暴雨时，边坡滑动带呈现弧形，从坡顶延续到坡脚。当降雨强度为暴雨时，随着降雨入渗的减小，边坡滑动面有所收缩，仅从坡顶延续到坡面中部，且在坡顶易产生破坏。当降雨强度为大雨时，边坡滑动带呈现不规则且不明显。当降雨强度为小雨时，降雨入渗的影响最小，滑动面主要是由坡面中部延续到坡脚，在坡脚处应力集中。
由图8可知，降雨强度与安全系数呈现负相关，随着降雨强度的增加，安全系数在逐渐减小，且在小雨变成大雨时降低最为明显，说明降雨强度对土石高填方边坡的稳定性存在影响。
图8 安全系数随降雨强度变化曲线
6 结论
本文采用强度折减法对影响边坡稳定的土体相关参数进行了分析，得出以下结论。
①项目区域的土石混合体主要为人工填土、软土、风化岩及残积土。场地花岗岩具有典型球状风化特征，即在各风化带中残留球状风化体(孤石)。球状风化体(孤石)在空间分布上杂乱无章，无规律性，直接造成天然地基土和高填方边坡的不均匀性。
②当含石量相同时，边坡的稳定性不会随着土石混合体中的块石粒径而改变，但边坡的位移范围会随着块石粒径的增大而减小，边坡滑动带的形状也会发生改变。
③边坡的稳定性随着降雨强度的增加而相应的改变，随着降雨强度的增加边坡安全系数逐渐降低，且位移范围也随之增加。
