FLAC-3D在黃土滑坡變形特征分析中的應(yīng)用

杜文舉，景淑媛

FLAC-3D在黃土滑坡變形特征分析中的應(yīng)用

杜文舉，景淑媛

（四川建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng) 618000）

暴雨是影響黃土滑坡穩(wěn)定性的重要因素，本文以陜西-黃土滑坡為例,利用有限差分法FLAC-3D軟件對(duì)在自然和暴雨條件下黃土滑坡的變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到滑坡體在自然狀態(tài)下和暴雨?duì)顟B(tài)下的變形特征和塑性分布特征，確定了滑坡體變形特征與滑坡穩(wěn)定性間的聯(lián)系，為黃土滑坡的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供必要的理論依據(jù)。

黃土滑坡；FLAC-3D；變形特征

1 引言

滑坡是一種較普遍的地質(zhì)災(zāi)害，給人們生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了重大威脅和損失[1]。黃土滑坡是黃土地區(qū)特有常見(jiàn)地質(zhì)災(zāi)害，全國(guó)約有1/3的滑坡災(zāi)害發(fā)生于黃土地區(qū)；以其多發(fā)性、危害性給生態(tài)環(huán)境和社會(huì)發(fā)展造成了嚴(yán)重的影響[2,3]。

子長(zhǎng)縣余家坪鄉(xiāng)新寨村一濕陷性黃土滑坡，在土體重力作用及坡腳秀延河側(cè)蝕作用下形成[4]，滑坡西側(cè)主滑方向314°,東側(cè)主滑方向354°，整體上呈后緣緩，前緣陡，中部較緩，滑體前緣直達(dá)秀延河溝底，滑坡后緣高程2 006～ 2 008m，前緣高程在1 992～1 995m之間，相對(duì)高差12～13m，平均坡度15°～25°，該滑坡有下滑趨勢(shì)，降雨將誘發(fā)滑坡的發(fā)生[5]，對(duì)其滑體前緣的西氣東輸管道工程造成巨大影響和危害，嚴(yán)重威脅管道輸氣的安全[6,7]。

滑體是由軟塑狀-流塑狀黃土組成，上部黃土呈濕-很濕狀態(tài)，中下部呈很濕-飽和狀態(tài)，含水量明顯高于上部，根據(jù)前、后緣的地表滑坡特征、地表張拉裂縫、鉆孔所揭露滑動(dòng)面位置以及物探測(cè)試成果，判定滑動(dòng)面剖面形狀為弧形。滑面（帶）由軟塑態(tài)的黃土構(gòu)成，滑帶土垂直深度0.40～10.0m，滑面（帶）土厚20～40cm，滑坡前緣寬度125m，主滑方向長(zhǎng)60m，滑坡平均厚度7.0m，滑坡體積6.2′104m3，滑坡典型地質(zhì)剖面3-3′如圖1所示。

圖1 3-3′滑坡剖面圖

表1 黃土滑坡的巖土物理力學(xué)參數(shù)

2 黃土滑坡的力學(xué)特征

2.1 黃土滑坡的力學(xué)指標(biāo)

通常情況下，巖石材料的動(dòng)態(tài)物理力學(xué)特性參數(shù)都是和應(yīng)變速率相關(guān)的，而對(duì)于巖體的變形模量和泊松比等參數(shù)歲應(yīng)變率的變化幅度較小，一般用相應(yīng)的靜態(tài)參數(shù)表示[8,9]，根據(jù)地質(zhì)勘查采樣試驗(yàn)結(jié)果，黃土滑坡的各層巖土的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表2 自然狀態(tài)下巖土體各項(xiàng)物理力學(xué)的參數(shù)取值

2.2 黃土滑坡的參數(shù)選取

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和試樣經(jīng)物理力學(xué)試驗(yàn)以及參考類似工程，黃土滑坡的巖土體物理力學(xué)參數(shù)在不同狀態(tài)下取值分別見(jiàn)表2和表3。

表3 暴雨?duì)顟B(tài)下巖土體各項(xiàng)物理力學(xué)的參數(shù)取值

3 利用FLAC-3D模擬計(jì)算分析

FLAC-3D (Fast Lagrangian Analysisof Continual in 3 Demensions)是由美國(guó)Masca Consulting Group Inc于20世紀(jì)90年代中期在原有二維FLAC分析軟件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的三維顯式有限差分法程序[10,11]。

3.1 計(jì)算模型

數(shù)值計(jì)算過(guò)程中構(gòu)建的模型底頂邊界高程為2 021m，底邊界高程為1 985m，模型大小為 20 740m2，采用四節(jié)點(diǎn)四面體網(wǎng)格單元法構(gòu)建巖土體的計(jì)算模型，共劃分了153 059個(gè)網(wǎng)格單元計(jì)算模型，29 026個(gè)網(wǎng)格單元節(jié)點(diǎn)，計(jì)算剖面的選取按照滑坡主要滑移方向，選取滑坡2-2′和3-3′剖面作為典型剖面，位置如圖2所示。

圖2 滑坡（FLAC-3D數(shù)值模擬）2-2′和3-3′剖面計(jì)算模型

3.2 數(shù)值模擬分析

3.2.1 自然狀態(tài)下穩(wěn)定性分析

自然狀態(tài)下一般從應(yīng)力場(chǎng)方面分析滑坡的穩(wěn)定性，利用FLAC-3D數(shù)值模擬計(jì)算得到滑坡自然狀態(tài)下應(yīng)力場(chǎng)特征圖（圖3~5）：

1）最大主應(yīng)力在計(jì)算模型內(nèi)部呈近豎直向，趨近于邊坡坡面時(shí)，最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生明顯偏轉(zhuǎn)，逐漸轉(zhuǎn)至與坡面近于平行方向。

2）最小主應(yīng)力在計(jì)算模型內(nèi)部整體上呈近水平向，趨近于邊坡坡面，最小主應(yīng)力方向也產(chǎn)生明顯偏轉(zhuǎn)，逐漸轉(zhuǎn)至與坡面近于垂直，應(yīng)力量值也由內(nèi)向外逐漸降低，近坡面位置逐漸趨于零，局部呈拉應(yīng)力。

圖3 自然工況下剖面變形特征

3）從塑性區(qū)分布特征來(lái)看，自然狀態(tài)下有滑帶極個(gè)別地方出現(xiàn)塑性破壞，其他部位均未有塑性破壞現(xiàn)象。

4）宏觀上來(lái)看，自然狀態(tài)下該黃土滑坡的應(yīng)力主要集中在表層的滑坡堆積區(qū)，區(qū)內(nèi)滑帶對(duì)最小主應(yīng)力存在一定的影響。

5）受滑帶的影響，滑坡堆積體中后緣產(chǎn)生了10多厘米的拉裂縫。

圖4 自然工況下剖面塑性分布特征

圖5 自然工況下剖面最大主應(yīng)力分布特征

6）在自然狀態(tài)下，由于該滑坡的坡度較陡，滑坡滑帶和堆積體局部出現(xiàn)塑性破壞，其他部位未見(jiàn)破壞痕跡，自然狀態(tài)下該滑坡的穩(wěn)定性較好。

3.2.2 暴雨條件穩(wěn)定性下分析

暴雨是影響黃土滑坡穩(wěn)定非常重要參數(shù)，通過(guò)黃土滑坡的變形特征、應(yīng)力變化特征以及塑性區(qū)分布特征進(jìn)行分析暴雨條件下黃土滑坡的穩(wěn)定性，在暴雨條件下FLAC-3D數(shù)值模擬計(jì)算的結(jié)果（圖6～7）:

1）暴雨條件下邊坡出現(xiàn)了明顯變形，變形區(qū)以滑坡堆積區(qū)后緣最為顯著（最大變形16cm），滑坡堆積區(qū)前緣與滑坡影響區(qū)變形相對(duì)較小，在2～4cm。邊坡整體沿滑帶朝坡腳方向移動(dòng)，存在明顯蠕滑-滑移趨勢(shì)，邊坡穩(wěn)定性比天然狀態(tài)下明顯下降，趨于失穩(wěn)狀態(tài)。

2）邊坡體內(nèi)剪應(yīng)變?cè)隽刻卣鞅砻鳎诒┯陾l件及各種因素的影響下，滑坡堆積體會(huì)形成一條連續(xù)貫通的剪應(yīng)變?cè)隽扛咧祹В咧祹г诨掠绊憛^(qū)范圍內(nèi)有一定延伸，可認(rèn)為已在滑坡堆積體內(nèi)形成連續(xù)貫通的（潛在）滑動(dòng)帶（面），進(jìn)一步說(shuō)明邊坡穩(wěn)定性處于較差階段，滑體有沿該滑動(dòng)帶（面）剪出趨勢(shì)。

圖6 暴雨工況下剖面變形特征

圖7 暴雨工況下剖面塑性分布特征

3）從2－2′、3－3′剖面的塑性區(qū)分布看，受降雨影響，滑坡堆積體內(nèi)已經(jīng)形成連續(xù)貫通的塑性破壞區(qū)，在滑坡影響區(qū)，局部也形成連續(xù)貫通的塑性破壞區(qū)，對(duì)滑坡堆積與影響區(qū)穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

4）暴雨工況下邊坡穩(wěn)定性顯著下降，邊坡前緣的變形破壞跡象更明顯，穩(wěn)定性狀況較差，有下滑的強(qiáng)烈趨勢(shì)，影響西氣東輸管道的安全。

4 結(jié)論

通過(guò)利用FLAC-3D數(shù)值模擬計(jì)算黃土滑坡天然、暴雨工況條件下的穩(wěn)定性狀況，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究分析以及利用傳遞系數(shù)法計(jì)算滑坡穩(wěn)定系數(shù)分析，滑坡穩(wěn)定性如下：

1）自然狀態(tài)條件下，滑坡穩(wěn)定性系數(shù)1.061～1.118，處于穩(wěn)定狀態(tài)，出現(xiàn)失穩(wěn)可能性小。

2）暴雨條件下，穩(wěn)定性系數(shù)0.945～0.936，處于塑性變形階段，整體可能產(chǎn)生失穩(wěn)。

3）降雨是導(dǎo)致黃土滑坡穩(wěn)定性、失穩(wěn)的重要因素。數(shù)值模擬計(jì)算表明在暴雨條件下，滑坡將出現(xiàn)較大變形，形成連續(xù)貫通塑性破壞區(qū)。失穩(wěn)滑可能性對(duì)西氣東輸?shù)奶烊粴夤艿罉?gòu)成巨大威脅。

采用FLAC-3D計(jì)算分析黃土滑坡的變形特征，預(yù)測(cè)滑坡演變規(guī)律，對(duì)防治工程決策有一定參考價(jià)值。

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The Application of FLAC-3D to the Analysis of Deformation Characteristics of Loess Landslide

DU Wen-ju JING Shu-yuan

(Sichuan Vocational College of Civil Engineering and Architecture, Deyang, Sichuan 618000)

The hard rain is an important factor influencing the stability of loess landslide. This paper analyzes the loess landslide deformation under natural condition and rainstorm condition with FLAC-3D by the example of a loess landslide in Shaanxi. The deformation and plastic distribution characteristics of landslide under natural and rainstorm conditions are simulated numerically. The relationship between the deformation characteristics of the landslide body and the stability of the landslide is determined.

loess landslide; FLAC-3D; deformation characteristic

2019-12-05

杜文舉（1970- ），男，黑龍江省哈爾濱市雙城區(qū)人，碩士，教授級(jí)高工，主要從事工程測(cè)量和巖土工程教學(xué)

P642.22

A

1006-0995（2020）04-0638-04

10.3969/j.issn.1006-0995.2020.04.023