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摘要：近几十年以来，随着经济发展，国家投入资金到基础建设，形成了大量人工土质边坡，同时也引发了一系列安全问题。特别是由降雨造成的路堤破坏事故偏多，受降雨影响，路基冲刷严重、边坡填料大量流失、土体产生溜塌[1]。本项目基于离散元理论，运用PFC2D数值模拟软件，在前人研究基础上，从边坡滑坡实际过程出发，模拟土质边坡在滑坡过程中的破坏特性，探析边坡破坏过程中变化规律。
关键词：土质边坡;滑坡;PFC数值模拟
一、引言
随着我国人口的上升，导致基础建设行业的力度加大，就会产生许多土质场地。而许多的岩土边坡工程的问题也随之出现。边坡作为在建筑行业的危险源，需要我们加大重视力度。而一旦发生边坡失稳就会造成重大事故，造成人民生命财产的损失[2]。而常见的边坡破坏类型有松弛张裂、蠕动变形、坍塌、滑坡[3]。
因此，对土质边坡在滑坡过程中的细观耦合机制研究尤为重要，可以准确判断边坡发生失稳的可能性从而防患于未然，对于建设和民生方面都有着重要的意义[4]。
我们必须了解土的各种力学参数，本文对土进行力学实验和PFC数值模拟研究，从而了解土的物理力学特性以及探究土体颗粒细观破坏机制，从而对土质边坡的性质提供理论依据。
二、力学实验概况
粘土在我们生活随处可见，我们可以通过对直剪试验的基本原理、基本操作方法和抗剪强度的基本理论的了解，进行粘土直剪实验得到粘土物理力学参数，并做出相关分析。
首先对选取粘土进行筛分，然后将土样分为4组，其组别为z-1、z-2、z-3、z-4。为了研究不同的法相应力对粘土特性界面的影响，在剪切的时候
分别设置50KPa、100Kpa、200Kpa、400Kpa的法相应力;在剪切时设定单调直剪切速率为0.8mm/min，剪切量为9mm。实验主要研究粘土的物理力学参数。
2.1实验前期准备
本课题的研究目的是重庆地区的粘土力学性质，因此，实验的材料来自于重庆科技学院东门边坡的粘土，先将取回的土样进行干燥并用粉碎机进行粉碎（具体见图1），将粉碎的土样用50目的筛网进行过滤，得到最大孔径为0.28mm的土样。
2.2实验结果
本项实验主要运用直剪仪测了四组不同压力强度的粘土，其实验结果如下：
三、二维剪切实验
3.1二维剪切模型的建立
通过标定获得参数，并在50Kpa的静压下进行二维剪切模拟。
3.2直剪实验结果验证
以围压为50Kpa下的应力应变为比较，我们可以看出，通过对粘土进行PFC数值模拟直剪实验拟得出的结果与室内力学实验下的结果变化规律较为一致，但是数值模拟的方式在实验结果的数据变化上表现的更为细致。
四、PFC滑坡数值模拟研究
4.1计算参数的选取
本次模型的边坡为自行设计边坡轮廓而来，而边坡的宏观力学参数主要有黏聚力和内摩擦角等[5]。而在我们进行数值模拟时候需要输入微观力学参数，为的能够得到表现宏观参数的微观参数，在模拟之前我们进行了二维直剪模拟实验，并通过一系列的直剪模拟实验与前面力学实验得到的宏观特征相应的微观力学参数[6]。
4.2计算模型的建立及模拟过程
本次模拟主要是在二维平面下研究。在边坡中我们设置颗粒间的接触为粘性接触来模拟粘土，通过cycle循环使其达到充满整个墙体，进行颗粒预压。生成的未加筋边坡模型。在未加筋的情况下，预压结束之后，通过对边坡赋值各种参数，然后删除斜坡面墙体，设置重力进行计算，使边坡破坏。在模拟时通过PFC程序中的displacement_x命令，显示颗粒在边坡破坏过程中的位移变化，从而对边坡破坏变化过程进行对比。
4.3计算结果与分析
通过图3的边坡坡面破坏过程我们可以清楚的认识到粘土边坡破坏过程颗粒的位移情况，在t=0时我们可以看到边坡有部分颗粒就快要发生位移，这时说明坡体内部不稳定，随着计算的运行更多颗粒开始下滑，在t=20min时候开始大面积滑动。这个过程一直到t=50min坡体才不会滑动，达到稳定，这时坡体已近发生严重变形。
粘土边坡是由许多细小颗粒组成的离散结构体，属于多孔介质。由上面的边坡破坏颗粒位移的过程我们可以知道：在坡体不稳定的情况下，颗粒会发生移动，粒径小颗粒会填补空袭，这时空袭就会减小，颗粒间强粘结受挤压作用变形，逐渐转化为强度弱的粘结，发生粘结断裂。我们从总体来看可以发现坡面刚发生破坏时，坡体颗粒发生重新排列或滑动，滑动最先出现在坡脚，坡脚的颗粒最先发生位移并逐渐向上面延伸，颗粒逐渐向下滑动边坡开始破坏，直到坡体再次达到稳定边坡破坏才结束。
运用PFC程序中的測量圆命令可以得到边坡破坏过程中其内部应力应变的变化，以其坡顶、坡中、坡脚三个部位来设置测量圆（具体见图4），我们可以知道，三个测量点的应力先是有短暂的应力上升，达到一定峰值后才逐渐减小，最后逐渐平缓。坡体内部的应力先上升然后下降最后应力平缓的过程，其实际是坡体变形过程中应力重新分布产生的。这是因为我们在坡体运行前通过参数的改变使坡体进入不稳定的状态，程序运行时就会导致应力重新分布。从图4中我们可以看到坡顶的应力最先到达峰值，然后是坡中，最后是坡脚。这说明了这类坡体的破坏最先发生在坡顶部位。这与图3边坡破坏过程的表现是一致的。
4.4小结
边坡的破坏过程是一个逐渐变化的过程。坡体在不稳定的情况下发生变形破坏，这时边坡应力会局部增大，这是因为破坏过程中颗粒的应力不断的聚集，当坡体不可能承受这个应力时，坡体发生边坡破坏或者在重力作用下下滑。
（基金项目：重庆科技学院硕士研究生创新计划项目-YKJCX1920725）
参考文献
[1]黄世光. 准朔铁路路基边坡施工期水力侵蚀规律研究[D].北京交通大学，2012.
[2]潘昌树，敬小非，秦梨，谢丹，龚秀兰，张小顺.加筋边坡与加筋材料研究现状[J].中国地质灾害与防治学报，2018，29（1）：135-142
[3]敬小非，潘昌树，谢丹，等.尾矿库溃坝泥石流相似模拟试验台设计及验证[J].中国安全生产科学技术，2017，13（7）：24-29.
[4]邵琪琳.加筋土界面力学特性试验及颗粒流数值模拟研究[D].青岛：青岛理工大学，2018.
[5]万江，温泉，昝世明.边坡失稳破坏的颗粒流模拟[J].四川建筑，2017，37（1）：111-113+116.
[6]王宇，李晓，王声星，侯文诗.滑坡渐进破坏运动过程的颗粒流仿真模拟[J].长江科学院院报，2012，29（12）：46-52.
重庆科技学院重庆市沙坪坝区大学城东路21号 401331
关键词：土质边坡;滑坡;PFC数值模拟
一、引言
随着我国人口的上升，导致基础建设行业的力度加大，就会产生许多土质场地。而许多的岩土边坡工程的问题也随之出现。边坡作为在建筑行业的危险源，需要我们加大重视力度。而一旦发生边坡失稳就会造成重大事故，造成人民生命财产的损失[2]。而常见的边坡破坏类型有松弛张裂、蠕动变形、坍塌、滑坡[3]。
因此，对土质边坡在滑坡过程中的细观耦合机制研究尤为重要，可以准确判断边坡发生失稳的可能性从而防患于未然，对于建设和民生方面都有着重要的意义[4]。
我们必须了解土的各种力学参数，本文对土进行力学实验和PFC数值模拟研究，从而了解土的物理力学特性以及探究土体颗粒细观破坏机制，从而对土质边坡的性质提供理论依据。
二、力学实验概况
粘土在我们生活随处可见，我们可以通过对直剪试验的基本原理、基本操作方法和抗剪强度的基本理论的了解，进行粘土直剪实验得到粘土物理力学参数，并做出相关分析。
首先对选取粘土进行筛分，然后将土样分为4组，其组别为z-1、z-2、z-3、z-4。为了研究不同的法相应力对粘土特性界面的影响，在剪切的时候
分别设置50KPa、100Kpa、200Kpa、400Kpa的法相应力;在剪切时设定单调直剪切速率为0.8mm/min，剪切量为9mm。实验主要研究粘土的物理力学参数。
2.1实验前期准备
本课题的研究目的是重庆地区的粘土力学性质，因此，实验的材料来自于重庆科技学院东门边坡的粘土，先将取回的土样进行干燥并用粉碎机进行粉碎（具体见图1），将粉碎的土样用50目的筛网进行过滤，得到最大孔径为0.28mm的土样。
2.2实验结果
本项实验主要运用直剪仪测了四组不同压力强度的粘土，其实验结果如下：
三、二维剪切实验
3.1二维剪切模型的建立
通过标定获得参数，并在50Kpa的静压下进行二维剪切模拟。
3.2直剪实验结果验证
以围压为50Kpa下的应力应变为比较，我们可以看出，通过对粘土进行PFC数值模拟直剪实验拟得出的结果与室内力学实验下的结果变化规律较为一致，但是数值模拟的方式在实验结果的数据变化上表现的更为细致。
四、PFC滑坡数值模拟研究
4.1计算参数的选取
本次模型的边坡为自行设计边坡轮廓而来，而边坡的宏观力学参数主要有黏聚力和内摩擦角等[5]。而在我们进行数值模拟时候需要输入微观力学参数，为的能够得到表现宏观参数的微观参数，在模拟之前我们进行了二维直剪模拟实验，并通过一系列的直剪模拟实验与前面力学实验得到的宏观特征相应的微观力学参数[6]。
4.2计算模型的建立及模拟过程
本次模拟主要是在二维平面下研究。在边坡中我们设置颗粒间的接触为粘性接触来模拟粘土，通过cycle循环使其达到充满整个墙体，进行颗粒预压。生成的未加筋边坡模型。在未加筋的情况下，预压结束之后，通过对边坡赋值各种参数，然后删除斜坡面墙体，设置重力进行计算，使边坡破坏。在模拟时通过PFC程序中的displacement_x命令，显示颗粒在边坡破坏过程中的位移变化，从而对边坡破坏变化过程进行对比。
4.3计算结果与分析
通过图3的边坡坡面破坏过程我们可以清楚的认识到粘土边坡破坏过程颗粒的位移情况，在t=0时我们可以看到边坡有部分颗粒就快要发生位移，这时说明坡体内部不稳定，随着计算的运行更多颗粒开始下滑，在t=20min时候开始大面积滑动。这个过程一直到t=50min坡体才不会滑动，达到稳定，这时坡体已近发生严重变形。
粘土边坡是由许多细小颗粒组成的离散结构体，属于多孔介质。由上面的边坡破坏颗粒位移的过程我们可以知道：在坡体不稳定的情况下，颗粒会发生移动，粒径小颗粒会填补空袭，这时空袭就会减小，颗粒间强粘结受挤压作用变形，逐渐转化为强度弱的粘结，发生粘结断裂。我们从总体来看可以发现坡面刚发生破坏时，坡体颗粒发生重新排列或滑动，滑动最先出现在坡脚，坡脚的颗粒最先发生位移并逐渐向上面延伸，颗粒逐渐向下滑动边坡开始破坏，直到坡体再次达到稳定边坡破坏才结束。
运用PFC程序中的測量圆命令可以得到边坡破坏过程中其内部应力应变的变化，以其坡顶、坡中、坡脚三个部位来设置测量圆（具体见图4），我们可以知道，三个测量点的应力先是有短暂的应力上升，达到一定峰值后才逐渐减小，最后逐渐平缓。坡体内部的应力先上升然后下降最后应力平缓的过程，其实际是坡体变形过程中应力重新分布产生的。这是因为我们在坡体运行前通过参数的改变使坡体进入不稳定的状态，程序运行时就会导致应力重新分布。从图4中我们可以看到坡顶的应力最先到达峰值，然后是坡中，最后是坡脚。这说明了这类坡体的破坏最先发生在坡顶部位。这与图3边坡破坏过程的表现是一致的。
4.4小结
边坡的破坏过程是一个逐渐变化的过程。坡体在不稳定的情况下发生变形破坏，这时边坡应力会局部增大，这是因为破坏过程中颗粒的应力不断的聚集，当坡体不可能承受这个应力时，坡体发生边坡破坏或者在重力作用下下滑。
（基金项目：重庆科技学院硕士研究生创新计划项目-YKJCX1920725）
参考文献
[1]黄世光. 准朔铁路路基边坡施工期水力侵蚀规律研究[D].北京交通大学，2012.
[2]潘昌树，敬小非，秦梨，谢丹，龚秀兰，张小顺.加筋边坡与加筋材料研究现状[J].中国地质灾害与防治学报，2018，29（1）：135-142
[3]敬小非，潘昌树，谢丹，等.尾矿库溃坝泥石流相似模拟试验台设计及验证[J].中国安全生产科学技术，2017，13（7）：24-29.
[4]邵琪琳.加筋土界面力学特性试验及颗粒流数值模拟研究[D].青岛：青岛理工大学，2018.
[5]万江，温泉，昝世明.边坡失稳破坏的颗粒流模拟[J].四川建筑，2017，37（1）：111-113+116.
[6]王宇，李晓，王声星，侯文诗.滑坡渐进破坏运动过程的颗粒流仿真模拟[J].长江科学院院报，2012，29（12）：46-52.
重庆科技学院重庆市沙坪坝区大学城东路21号 401331