基于數值模擬堆積體邊坡變形特征分析

梁利紅

(廣東省地質局 第七地質大隊,廣東 惠州 516008)

基于數值模擬堆積體邊坡變形特征分析

梁利紅

(廣東省地質局 第七地質大隊,廣東 惠州 516008)

隨著電子計算機的發展和應用,FLAC3D在巖土工程邊坡穩定性分析領域得到了快速運用。結合某邊坡,用FLAC3D進行三維分析模擬計算,并分析邊坡變形特征、應力特征及穩定性,結果表明,FLAC3D數值模擬邊坡應力、變形特征與工程實際相符。

堆積體邊坡;數值模擬;變形特征

在廣東地區,有大量松散堆積體斜坡,其不同于常見的巖質邊坡和土質邊坡,它是一種具有不連續性、非均質性和各向異性等復雜特性的力學介質[1],由于有這些特性的影響,決定了堆積體性質研究的復雜性[2]。因此,開展堆積體邊坡穩定性、變形特征分析和應力變化[3]分析至關重要。以“惠州市惠東縣某滑坡”為研究對象,通過相關的建模數據,建立FLAC3D[4]三維模型,并選取典型地質斷面進行分析,基于數值模擬得出對堆積體邊坡的應力特征、變形特征及穩定性評價,并對類似坡體的變形破壞特征、穩定性分析評價與支護設計提供經驗參考和示范借鑒。

1 工程概況

惠東縣某村后側山體自然邊坡高95 m,中上部坡度約為35°,中下部坡面較緩,坡度為15°～25°,坡向121°。邊坡覆蓋層主要由坡積層、殘積層堆積體組成。其中坡積層(Qdl)為含碎石粉質粘土,層厚為3.2～5.80 m;殘積層(Qel)為粘性土,可—硬塑,遇水易軟化,層厚為8.50～18.20 m;下部巖層為強風化泥質粉砂巖。

2013年8年16日,受“尤特”強臺風持續強降雨影響,該堆積體邊坡發生變形跡象,但是并沒有整體失穩,在中上部標高155 m處坡面出現橫向張拉裂縫,長約38 m,裂縫寬約0.3～0.5 m,中下部標高103 m處坡面發育鼓丘裂隙,鼓脹凸起部分土質松散。該堆積體邊坡經極限平衡法[5]評價,邊坡處于臨界穩定狀態。

2 計算模型

首先建立該邊坡工程地質模型,從研究區域地形圖上直接讀取地形數據點數據,在AUTOCAD把整個模型的構造輪廓精細反映出來,確定關鍵點的坐標;然后再通過特定的轉換軟件轉換文件的格式,導入ANSYS軟件中進行模型建立,并最終生成網格;最后,通過ANSYS模型中的節點和單元信息文件生成FLAC3D的腳本文件,導入FLAC3D中生成物理模型,如圖1所示。

圖1 堆積體邊坡三維模型Fig.1 Three dimensional model of accumulation slope

3 巖土體物理力學性質的輸入參數

該邊坡巖土體強度參數的選取以勘察試驗成果數據為依據,坡殘積粉質粘土天然狀態:重度19 kN/m3,粘聚力24 kPa,內摩擦角18°;飽和狀態:重度20 kN/m3,粘聚力22 kPa,內摩擦角16°;強風化砂巖天然狀態:重度21 kN/m3,粘聚力35 kPa,內摩擦角25°;飽和狀態:重度22 kN/m3,粘聚力33 kPa,內摩擦角22°。為了更好地評價邊坡的變形、應力特征和穩定性,針對現狀邊坡,考慮自重狀態和自重+暴雨狀態兩種工況進行數值模擬分析,探討邊坡的穩定性、應力特征和變形特征。

圖2 剖面1計算模型Fig.2 Calculation model of Profile 1

4 現狀邊坡數值模擬分析

4.1 計算模型與計算工況

對于現狀邊坡,選取剖面1作為研究對象,計算模型邊界選取邊坡周界,同時外延20～30 m。計算工況選擇自重狀態和自重+暴雨狀態兩種工況。

剖面1的FLAC3D計算模型如圖2所示。

考慮到堆積體邊坡巖土參數的差異性,對邊坡分為兩種不同參數的巖土材料進行模擬,同時,對于邊坡下部基巖,根據其巖性參數也分為兩部分進行數值模擬計算模型考慮。

4.2 主應力分析

考慮計算工況選擇自重狀態和自重+暴雨狀態兩種工況,分別就典型剖面在兩種工況下的主應力分布情況進行分析。

自重狀態和自重+暴雨狀態兩種工況下剖面1最大主應力分布情況如圖3、4所示。

從圖3、4中可以看出,邊坡主要表現為壓應力分布,越靠近邊坡面應力值越小,在坡肩處,應力值發生變化,表現為較大的拉應力,同時坡腳出現較大的剪切應力。對比圖3和圖4可知,暴雨條件下使得邊坡坡肩拉應力和坡腳剪切應力明顯增加,說明暴雨對本邊坡的穩定性有較大影響。

4.3 位移分析

考慮計算工況選擇自重狀態和自重+暴雨狀態兩種工況,分別就典型剖面在兩種工況下的位移分布情況進行分析。

圖3 自重狀況下剖面1最大主應力等值線圖Fig.3 The max principal stress contour map of Profile 1 under the gravity condition

圖4 自重+暴雨狀況下剖面1最大主應力等值線圖Fig.4 The max principal stress contour map of Profile 1 under the condition of gravity and rainstorm

自重、自重+暴雨兩種工況下剖面1的X方向位移分布情況如圖5、6所示。

從圖5和圖6可以看出,根據FLAC3D數值模擬應力和位移分析,邊坡在未發生較大位移變形破壞的狀態下,其應力、位移變形分布特征主要表現為:

(1) 在坡腳處,由于應力分布的影響,導致出現一個明顯的應力集中帶,該處最大主應力出現明顯的增加,最小主應力則顯著下降,甚至可能出現負值,主要應力特征是最大主應力表現為切向應力,最小主應力表現為徑向應力,從而形成了最大剪應力增高帶,極易出現坡腳剪切破壞,如該堆積體前緣鼓丘隆起變形。

(2) 在坡肩處,應力狀態呈現為拉應力集中,導致坡肩極易出現拉伸破壞,如該堆積體邊坡中上部發育一條貫通弧形張拉裂縫,裂縫寬0.3～0.5 m,可見深度達1.5～2 m。

根據以上分析,說明FLAC3D數值模擬應力和位移分析與工程實際相符。即坡肩處拉應力集中,導致坡肩極易出現拉伸破壞,變形表現為坡肩發育一條貫通弧形張裂縫;坡腳處形成最大剪應力增高帶,易產生剪切破壞,變形表現為坡腳前緣鼓丘隆起。

圖5 自重狀況下剖面1的X方向位移等值線圖Fig.5 X direction displacement contour map of Profile 1 under the gravity condition

圖6 自重+暴雨狀況下剖面1的X方向位移等值線圖Fig.6 X direction displacement contour map of Profile 1 under the condition of gravity and rainstorm

通過對邊坡在自重和自重+暴雨兩種工況下進行變形和應力特征數值模擬分析可以發現,在暴雨作用下,堆積體邊坡誘發變形破壞,穩定性受到一定程度的影響,地下水是影響堆積體邊坡變形,甚至是誘發滑坡地質災害的主要因素[6]。因此,有必要針對大氣降水采取必要的地表截排水措施,減少大氣降水的沖刷和入滲作用,提高邊坡巖土體的整體穩定性和強度。

5 結束語

FLAC3D數值模擬滑坡的應力、變形特征與該滑坡的位移變形特征基本一致,驗證了數值模擬分析堆積體滑坡變形特征的正確性。通過對變形及應力特征分析,針對工程區巖土體性狀及變形特點,建議采用抗滑樁+清方卸載的方案對不穩定邊坡進行綜合治理。

通過FLAC3D三維分析模擬計算,對邊坡變形特征、應力特征及穩定性進行分析評價,為不穩定斜坡治理設計提供科學依據。結合數值模擬來綜合分析邊坡變形特征、應力特征并預測其發展趨勢,也可為類似坡體的穩定性分析評價與支護設計提供經驗參考和示范借鑒。

極限平衡法計算邊坡穩定性時不能反映邊坡組成物質的本構關系、應力特征及變形位移量,而數值分析方法能依托計算機技術,能夠計算并直觀反映出邊坡內的應力場分布和位移變形特征,因此,FLAC3D在巖土工程邊坡穩定性分析領域具有較為廣闊的開發運用前景。

[1] 陳紅旗,黃潤秋,林峰.大型堆積體邊坡的空間工程效應研究[J].巖土工程學報,2005,27(3):323-328.

[2] 馮剛.復雜堆積體邊坡變形失穩分析及其穩定性綜合評價[D].天津:天津大學,2011.

[3] 盧肇鈞.粘性土抗剪強度研究的現狀與展望[J].土木工程學報,1999,32(4):3-9.

[4] 劉波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[5] 陳祖煜.水利水電工程堆積體邊坡穩定性分析和工程措施研究[J].貴州水利發電,2003,17(4):5-9.

[6] 易順民,梁池生.廣東省地質災害及防治[M].北京:科學出版社,2010.

(責任編輯：于繼紅)

Analysis on Deformation Characteristics of Accumulation Slope Basedon Numerical Simulation

LIANG Lihong
(TheSeventhGeologicalBrigadeofGuangdongGeologicalBureau,Huizhou,Guangdong516008)

With the development and application of electronic computer,FLAC3D has been quickly used in slope stability analysis of geotechnical engineering.Combined with a slope example,the deformation characteristics,stress characteristics and stability have been analyzed in this study through three dimensional analysis and simulation calculation by FLAC3D.The results show that the stress and deformation characteristics of the slope based on FLAC3D numerical simulation are consistent with the engineering practice.

accumulation slope; numerical simulation; deformation characteristics

2016-10-26;改回日期:2016-12-01

梁利紅(1981-),男,工程師,地質工程專業,從事地質災害治理工作。E-mail:416382973@qq.com

TU457; TP15

A

1671-1211(2017)02-0223-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.021

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.020.html 數字出版日期:2017-03-14 08:25