FLAC3D在巖體邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

程 偉，郭永翔，朱 杰

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明650051；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001)

FLAC3D在巖體邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用

程 偉1，郭永翔1，朱 杰2

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明650051；2.安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽淮南232001)

采用FLAC3D對南京北極閣風(fēng)貌區(qū)巖體邊坡開挖進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析其應(yīng)力和變形在分部開挖過程中的發(fā)展規(guī)律，并對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行評價(jià)。分析結(jié)果表明，坡體應(yīng)力場和坡體位移分布規(guī)律一致，邊坡開挖后可能沿軟弱巖層發(fā)生滑動，需對邊坡進(jìn)行加固，并長期監(jiān)測其穩(wěn)定性。

巖體邊坡；穩(wěn)定性分析；應(yīng)力；應(yīng)變；FLAC3D

0 引 言

巖體邊坡穩(wěn)定性分析是巖土工程中的一大難題，其分析方法有很多種。工程上常用的是極限平衡法，這種方法簡便快捷，但它假設(shè)巖土體為剛體，不能考慮巖土體本身的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。有限元法可采用多種力學(xué)模型，考慮復(fù)雜的邊界條件，并且能夠獲得巖體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，這種方法在工程中應(yīng)用越來越廣泛，但有限元法通常用于解決小變形問題，而對大變形問題不太適用。FLAC3D即三維快速拉格朗日法是一種基于三維顯式有限差分法的數(shù)值分析方法，可模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)行為。相比有限元法，F(xiàn)LAC3D有以下優(yōu)點(diǎn)：①采用了混合離散方法模擬材料的屈服或塑性流動特性，比有限元法中采用的降階積分更為合理。②利用動態(tài)運(yùn)動方程進(jìn)行求解，能模擬動態(tài)問題，如振動、失穩(wěn)和大變形等。③采用顯式方法進(jìn)行求解，對非線性本構(gòu)關(guān)系和線性本構(gòu)關(guān)系并無算法上的差別，對已知的應(yīng)變增量可以方便地求出應(yīng)力增量，并得到平衡力，可跟蹤系統(tǒng)的演化過程[1]。

本文以南京北極閣風(fēng)貌區(qū)巖體邊坡為研究對象，在對邊坡進(jìn)行關(guān)鍵塊體的穩(wěn)定性評價(jià)后，采用FLAC3D模擬邊坡開挖后的應(yīng)力應(yīng)變特征，對該邊坡穩(wěn)定性作出評價(jià)。

1 工程概況

地表測繪和勘查證實(shí)，南京北極閣風(fēng)貌區(qū)巖體邊坡的第四系覆蓋層厚度變化很大，主要為粘性土和殘積土，其下第2層為侏羅系象山群的石英砂礫巖，第3層為閃長玢巖侵入體，力學(xué)性質(zhì)比較差。地質(zhì)分析可知，侵入體極易形成潛在的滑動面，且邊坡后緣第四系土層下存在斷層，與閃長玢巖侵入體切割形成的塊體穩(wěn)定性較差。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 模型建立

本模型是通過ANSYS進(jìn)行建模及網(wǎng)格剖分，將節(jié)點(diǎn)和單元信息轉(zhuǎn)換到FLAC3D中進(jìn)行賦值和計(jì)算[2]。選取y軸為豎直方向，水平剖面方向?yàn)閤軸向，計(jì)算范圍取水平距離約130 m，垂直距離約為80 m。邊坡模型x向左右邊界為滾軸約束邊界，底部為固定約束邊界，頂部為自由邊界。模型中，巖體采用Drucker-Prager本構(gòu)模型，而斷層采用interface單元，在模型網(wǎng)格圖中不直接顯示出來。考慮到邊坡開挖高度一般以及巖體風(fēng)化卸荷的影響，模型邊界不考慮水平構(gòu)造應(yīng)力，只考慮自重應(yīng)力。模擬中邊坡開挖分4步完成，并考慮了水壓力的作用。計(jì)算模型見圖1。

圖1 計(jì)算模型

2.2 變形分析

由于邊坡在自重應(yīng)力形成后進(jìn)行開挖，在先期應(yīng)力場的作用下，邊坡開挖主要引起的是卸荷回彈[3- 6]。邊坡開挖后的位移矢量見圖2。從圖2可知，邊坡開挖后的位移主要集中在開挖邊坡的表部區(qū)域。坡體的總位移分布見圖3。從圖3可知，位移最大值出現(xiàn)在坡面上閃長玢巖侵入體的上方，總變形量為1.76 cm，而此處也是水平位移最大處。完全開挖后，此處的水平位移達(dá)1.59 cm。主要是由于此處由自重應(yīng)力形成的先期壓應(yīng)力較大，加上閃長玢巖軟弱體在此處分布范圍較廣，邊坡開挖后，促進(jìn)了坡體的軟巖與硬巖發(fā)生差異卸荷變形，坡體前緣的開挖形成了軟弱巖體臨空面，在臨空部位軟巖更容易產(chǎn)生滑動變形。因此，在臨空面上的軟弱巖體分布帶上發(fā)生了最大位移。

圖2 邊坡開挖后的位移矢量

圖3 坡體的總位移分布(單位：cm)

從開挖坡面到坡體內(nèi)部，x向位移逐漸減小，但在閃長玢巖軟弱層和斷層帶的界面上，x向位移值出現(xiàn)了較大的變化，即位移變化較集中。在閃長玢巖軟弱層和斷層帶的界面兩邊設(shè)置了x向位移跟蹤點(diǎn)，結(jié)果表明，跟蹤點(diǎn)的位移曲線呈明顯的發(fā)散趨勢，位移不收斂，說明軟弱層和斷層產(chǎn)生了塑性變形。此外，在邊坡后緣y向位移向下，表現(xiàn)為下沉，最大下沉中心位于邊坡后部靠近斷層處，量值達(dá)0.38 cm，坡面表現(xiàn)為隆起。又由于軟弱層上的x向位移表現(xiàn)為向坡外的位移，因此軟弱層和斷層切割成的塊體容易產(chǎn)生變形破壞，其上部控制界面為斷層，下部控制界面為閃長玢巖軟弱層。

為研究邊坡開挖后坡面的變形情況，在開挖坡面上設(shè)置5個(gè)跟蹤點(diǎn)，分別為坡頂(節(jié)點(diǎn)號11 863)、1級開挖體的腳點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)號11 771)、2級開挖體的腳點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)號11 609)、3級開挖體的腳點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)號11 427)和坡腳(節(jié)點(diǎn)號6 925)。各個(gè)跟蹤點(diǎn)的x向位移隨時(shí)間變化的時(shí)步曲線見圖4。從圖4可知，節(jié)點(diǎn)11 427由于位于軟弱層的稍上部，x向位移值較大；而節(jié)點(diǎn)11 771位于粘性土和殘積土層，土體的性質(zhì)較差，開挖后變形量較大，因而產(chǎn)生的位移僅次于節(jié)點(diǎn)11 427；坡腳處由于周圍的約束，位移值最小。

圖4 坡面跟蹤點(diǎn)的x向位移時(shí)步

2.3 應(yīng)力場分析

邊坡開挖后，最大主應(yīng)力(拉應(yīng)力)出現(xiàn)在軟弱層上及斷層后緣(見圖5)，最大值達(dá)到0.15 MPa；在坡頂和坡面靠近表面部位，開挖引起應(yīng)力的釋放，使垂直坡面的最小主應(yīng)力顯著降低，而高應(yīng)力帶隨之向深部轉(zhuǎn)移。開挖完成后的塑性區(qū)分布見圖6。從圖6可以看出，在閃長玢巖軟弱層和斷層上分布拉剪塑性破壞區(qū)，顯示了其力學(xué)性質(zhì)對邊坡穩(wěn)定的影響，范圍基本上為斷層帶-拉剪塑性區(qū)和軟弱層-剪塑性區(qū)，容易形成潛在滑動面，致使邊坡沿軟弱面產(chǎn)生剪切滑動。在粘性土和殘積土層坡面處，曾經(jīng)出現(xiàn)部分的塑性屈服帶，但隨著開挖的進(jìn)行，這些屈服帶又消失了。其主要原因是在開挖過程中，整個(gè)坡體的應(yīng)力狀態(tài)在不斷地調(diào)整進(jìn)而重分布，加之土體力學(xué)性質(zhì)較差，原先由于剪應(yīng)力作用而出現(xiàn)的剪切破壞裂縫，隨著開挖卸荷的進(jìn)行反而松弛閉合了，但在其他外荷載的作用下，這些區(qū)域仍然存在破壞的危險(xiǎn)。從以上分析可以看出，坡體應(yīng)力場和坡體位移分布規(guī)律結(jié)果是一致的，在評價(jià)過程中必須進(jìn)行比較校核。

圖5 最大主應(yīng)力分布(單位：MPa)

圖6 邊坡的塑性狀態(tài)

2.4 系統(tǒng)不平衡力分析

在位移和應(yīng)力場分析中，對閃長玢巖侵入體和斷層帶形成的塊體進(jìn)行了評價(jià)，認(rèn)為其可能產(chǎn)生滑動破壞。但判斷體系有無發(fā)生塑性流動，應(yīng)對系統(tǒng)不平衡力和邊坡的穩(wěn)定狀況關(guān)系作更深一步研究，開挖過程中系統(tǒng)不平衡力演化趨勢見圖7。從圖7可知，每一級開挖后不平衡力的波動較大，應(yīng)力應(yīng)變顯著調(diào)整，但隨著迭代時(shí)步的增加逐漸收斂，說明邊坡是趨于穩(wěn)定的。因此，邊坡在經(jīng)歷了初期的變形后，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖8為坡面上不同位置跟蹤點(diǎn)x向變形速度隨計(jì)算時(shí)步的關(guān)系曲線。從圖8可以看出，坡面上不同位置跟蹤點(diǎn)x向變形速度在每一級邊坡開挖時(shí)變化均較大，但隨著計(jì)算時(shí)步的增加最終趨近于零，表明邊坡跟蹤點(diǎn)位置在每一級開挖過程中均達(dá)到了平衡，不會繼續(xù)產(chǎn)生變形破壞。因此，邊坡在每一級開挖過程中，雖然都發(fā)生了較大的變形，但隨著計(jì)算時(shí)步的增加，開挖后的邊坡均會穩(wěn)定下來。這主要是因?yàn)榍秩塍w與斷層帶的塑性破壞區(qū)并未形成交切，沒有貫通整個(gè)邊坡。此外，由于軟弱層傾角較緩，斷層相對坡面距離較遠(yuǎn)，使邊坡沒有繼續(xù)發(fā)生塑性流動，從而達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 系統(tǒng)不平衡力演化過程

但是，邊坡軟弱帶仍然存在著潛在的滑動性，在邊坡加固設(shè)計(jì)和施工中需要特別注意。除了在位移較大處和塑性分布區(qū)要進(jìn)行加固處理外，還應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測，跟蹤評價(jià)邊坡的長期穩(wěn)定性。

圖8 坡面跟蹤點(diǎn)的x向速度時(shí)步

2.5 無水狀態(tài)和有水狀態(tài)比較

地下水會對坡體產(chǎn)生靜水壓力以及懸浮減重作用。考慮地下水的情況下，坡體的最大水平位移為1.59 cm；而不考慮地下水時(shí)，其最大水平位移只有1.09 cm，比有水狀態(tài)減少31%。總位移量最大值無水狀態(tài)比有水狀態(tài)減少了5%。因此，地下水對邊坡的穩(wěn)定性有重要的作用，必須重視工程中的防排水工作。

3 結(jié) 語

通過對邊坡的坡體總位移、主應(yīng)力分布、塑性狀態(tài)及坡面跟蹤點(diǎn)的位移時(shí)步分析，可以得出以下認(rèn)識：

(1)坡面上閃長玢巖侵入體上方的位移最大，粘性土和殘積土層也有較大的水平位移，需要進(jìn)行錨固治理。軟弱層和斷層帶位移變化量較高，表明已達(dá)到塑性階段，切割成的塊體后緣下沉，前緣滑出，易形成滑動體。

(2)在閃長玢巖軟弱層和斷層上分布著拉剪塑性破壞區(qū)，但塑性區(qū)域沒有貫通形成塊體，坡面土層上也產(chǎn)生過屈服狀態(tài)，開挖完成后消失。應(yīng)力場分析和位移場分析結(jié)果一致。

(3)系統(tǒng)不平衡力計(jì)算結(jié)果表明，邊坡趨向于穩(wěn)定狀態(tài)，體系并未發(fā)生塑性流動，坡面速度趨向于零，位移逐漸保持不變，說明閃長玢巖軟弱層和斷層形成的塊體經(jīng)過一定的位移最終穩(wěn)定，不會發(fā)生滑出破壞。但塊體的危險(xiǎn)性仍然存在，有必要對邊坡進(jìn)行治理，并加強(qiáng)治理后的跟蹤監(jiān)測。

(4)地下水分布對坡體的穩(wěn)定性影響較明顯，應(yīng)注意邊坡的防排水工作，避免坡體內(nèi)過大的水壓對坡體的穩(wěn)定性造成不利影響。

[1]劉波， 韓彥輝. FLAC3D原理實(shí)例與應(yīng)用指南[M]. 北京： 人民交通出版社， 2005．

[2]宋修廣， 張思峰， 李英勇. 路塹高邊坡開挖錨固數(shù)值模擬及穩(wěn)定性分析[J]. 公路交通科技， 2005， 22(4)： 38- 40．

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(責(zé)任編輯楊 健)

Application of FLAC3D in Stability Analysis of Rock Slope

CHENG Wei1, GUO Yongxiang1, ZHU Jie2

(1. PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited, Kunming 650051, Yunnan, China;2. Department of Civil Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, Anhui, China)

The FLAC3D is adopted to simulate the excavation of rock slope in Beijige Style Area in Nanjing and the development law of stress-strain in the part-to-part excavation process is analyzed. The evaluation of slope stability shows that the slope stress field and displacement distribution is consistent and the landslide can take place along the soft rock after excavation, so the slope need to be reinforced and the stability of slope should be monitored in long period．

rock slope; stability analysis; stress; strain; FLAC3D

2015- 04- 17

程偉(1982—)，男，山西長治人，工程師，主要從事工程地質(zhì)勘察工作．

TU457(253)

A

0559- 9342(2015)12- 0033- 03