基于FLAC3D和COMSOL的某邊坡穩定性分析

中圖分類號：TU432 文獻標志碼：A 文章編號:1003-5168(2025)11-0049-05

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.011

Slope Stability Analysis Based on FLACD and COMSOL

ZHANG JiajieZHAO Zhigen (School of Earthand Environment，Anhui Universityof Science and Technology，Huainan 232Oo1，China)

Abstract: [Purposes] The stability of slopes under different working conditions is analyzed to provide a theoretical basis for slope prevention and reinforcement.[Methods] Numerical simulation， including FLAC ^3D and COMSOL，is an important tool for analyzing slope stability.By comparing the simulation results of these two software for the same slope under different working conditions，this paper discusses their application effects and diferences between these two tools.[Findings] The results show that the two software have the same functions and the simulation results are similar.In the case of the same input parameters， the simulation results of FLAC ^3D and COMSOL have differences in aspects such as the maximum principal stress，shear stress，longitudinal displacement，factor of safety，etc.The maximum principal stress and factor of safety obtained by COMSOL software are generally higher，while the maximum shear stress and longitudinal displacement are lower.[Conclusions] This regular diffrence is helpful to deepen the understanding of slope stability analysis.

Keywords: slop; numerical simulation; factor of safety; FLAC3D;COMSOL

0 引言

人類活動空間范圍的逐漸擴展，以及全球氣候周期性變化，以技術和經濟條件為支撐的工程數量逐年攀升，對自然地質環境的影響愈加劇烈。滑坡災

20世紀中期以來，隨著世界人口的不斷增長和害，尤其是造成大規模經濟損失和人員傷亡的滑坡災害發生頻率越來越高。邊坡穩定性分析作為邊坡研究的核心問題，研究邊坡當前所處的狀態，進而判斷邊坡是否需要進一步防護與加固。數值模擬是邊坡穩定性分析的重要手段之一。目前，有大量軟件可以應用于這一領域，如FLAC3D通過前處理建模及內置FISH語言設置模型初始條件，建立與工程實際條件相近的邊坡滲流場及基質吸力，從而正確分析降雨條件下模型的滲流孔壓場[2]；COMSOL憑借優秀的多物理場耦合功能，可精確分析不同水位情況下的土石壩滲透穩定特性，通過最大比降判斷壩體的危險區域3；ANSYS采用非關聯流動法則進行計算，使用全牛頓-拉普森迭代方法得到不同屈服條件準則下的邊坡安全系數[4]；GEOSTUDIO可模擬降雨時間變化對邊坡體各層土體的孔隙水壓力及滲透系數的影響，從而分析邊坡穩定性系數的變化規律5；UDEC作為離散元軟件，能夠較好地反映工程實際中邊坡中的節理、裂隙發育特征及各向異性，通過塑性區分布特征及應力、應變分布云圖分析不同設計思路下坡體的穩定性等[。然而，隨著研究的不斷深入，對數值模擬效果提出了進一步要求，本研究利用FLAC和COMSOL軟件對同一邊坡不同工況下的模擬結果進行對比，研究結果可為數值模擬軟件的選擇提供參考。

1工程概況

工程所在區域主要地層為： ① 第四系殘坡積層，其主要組成物質為粉砂質黏土，地層符號為 ，顏色為褐黃色或淺黃色，土層較薄，厚度變化根據歷史調研報告，暫定為 0.2～0.3m ② 黃墟組，屬于震旦系下震旦統，地層符號為 Z_2h ，厚度為 535m 可分為上部和下部兩個部分：上部巖層主要由中厚層狀的內碎屑灰巖和灰巖構成，它們之間通常夾雜著薄層泥灰巖；下部巖性轉變為中薄層狀的千枚狀泥巖和粉砂質泥巖。最底部則是含有鐵錳質的泥質白云巖。

某邊坡的工程地質剖面如圖1所示。該邊坡位于安徽省，坡腳高程為 75m 左右，坡頂高程為120m 左右，寬為 55m 左右。分層結構較簡單，最上層為第四紀殘坡積層，中層為強風化千枚巖，下層風化強度較弱，為中風化千枚巖。本次模擬包括3種工況，即一般工況、地震工況和暴雨工況。一般工況數據通過高密度電法勘探、工程鉆探取樣、樣品力學性質測試和綜合分析得到；地震工況數據參考《中國地震動參數區劃圖》(GB18306—2015）[7]，地震加速度峰值采用 0.10g ，在地震波的影響下，邊坡產生不同方向的剪切破壞，巖土體的內聚力和內摩擦角有所減小，強度有所下降；暴雨工況數據考慮巖土體含水率增加時，密度由天然密度變為飽和密度，土體自身重力有所增加，且含水率的增加也會導致內聚力和內摩擦角發生一定程度的下降。3種工況下的巖土體力學參數見表 1^[8]

2數值模擬

2.1 軟件簡介

2.1.1FLAC3D軟件。FLAC3D(FastLagrangianAnalysisofContinua，連續介質快速拉格朗日分析）是由美國Itasca公司開發的，其基于顯式差分法來求解系統的運動方程，可以對連續介質進行大變形分析。在求解過程中采用動態松弛技術，節省了計算時間9，且能夠較好地處理多場耦合（力、水、熱）問題，適用于處理少量非連續結構面（確定性）問題。由于其前處理能力，包括三維地質建模及單元網格劃分能力較差，常用PLAXIS、Rhinoceros和griddle等軟件間接生成。

2.1.2 COMSOL軟件。COMSOL是一款跨平臺的多物理場耦合模擬分析軟件，利用有限元理論將研究問題轉化為偏微分方程求解，具有高度二次開發的自由度。其軟件庫中包含多種網格剖分方案，支持移動網格能力。其具有全面的第三方導入功能，包括CAD等多種常用建模軟件和豐富的后處理功能，自定義程度較高[10-11]。

2.2 計算原理

強度折減法的基本原理是將巖土體的內聚力c和內摩擦角 φ 同時除以折減系數，得到一組新的力學參數 (c^′，φ^′) 代入模型中試算，當巖土體符合給定屈服條件的判定時，認為巖土體發生失穩破壞，此時的折減系數即為巖土體的安全系數。在FLACD中，模型求解常分為兩步，一是將模型中的力學參數（內聚力、抗拉強度)設置為充分大，進行初次平衡；二是設置巖土體實際力學參數，進行二次平衡，以防止屈服區域出現。在邊坡安全系數計算中，本構關系選擇理想彈塑性模型，屈服準則采用摩爾-庫倫屈服準則，且認為剪應面上的剪應力與正應力之比達到最大時，材料發生屈服或破壞，屈服條件見式（1）[12]

式中： σ₁Ω_?σ₃ 分別為最大主應力和最小主應力；c_?φ 分別為內聚力和內摩擦角。

2.3 網格剖分

本次數值模擬主要采用FLAC和COMSOL軟件進行分析，使用AutoCAD進行輔助建模，將AutoCAD繪制的工程地質剖面圖導人FLAC及COMSOL，從而確保生成的模型與工程實際相一致，使用Origin軟件進行結果分析。

數值模擬采用FLACD時使用三維網格，其剖分方式如圖2所示，模型設定邊坡各向邊界分別為90、70和 45m ，底部設置為固定約束，四周為輥支撐，頂部為自由表面。根據網格單元進行劃分，共獲得單元體59040個，單元節點64995個，采用Mohr-Coulomb本構模型。

數值模擬采用COMSOL時使用二維網格，其剖分方式如圖3所示。模型設定邊坡各向邊界分別為90和 45m ，底部設置為固定約束，兩側為輥支撐，頂部為自由表面。根據網格單元進行劃分，共獲得單元1285個，單元節點695個，采用Mohr-Coulomb本構模型。

3對比結果

本研究通過利用FLAC3D和COMSOL數值模擬方法分析不同工況下邊坡的穩定性，揭示了邊坡的變形破壞特征，對比分析數值模擬的結果如下。

不同工況下的Z向位移云圖如圖4至圖9所示。由圖可知，最大變形均發生在坡腳處，且FLAC3D軟件的模擬結果均大于COMSOL軟件的模擬結果，最大變形發生在地震工況下，達到1.42×10^-2m 。

通過分析可知，兩款軟件具有相同的功能，模擬結果相近，利用以上兩種軟件計算得到的安全系數見表2。更多參數的對比如圖10所示。由圖10可知，通過FLACD和COMSOL對同一邊坡不同工況的數值進行模擬時，盡管輸入的力學參數完全一樣，但模擬結果存在一定的差異，在最大主應力、最大剪應力、縱向位移、安全系數等方面均有所體現，COMSOL得出的計算結果中，安全系數相對偏大，縱向位移相對偏小。

4結論

① 該邊坡總體穩定，但安全余量不大，在一般工況下穩定性顯著高于暴雨工況和地震工況，應特別關注降雨及地震條件下的邊坡穩定性，盡量避免坡腳開挖，若有必要，可合理護坡、放坡。

② COMSOL軟件相較于FLAC的模擬結果存在一定的差異，整體呈現一定的規律性，最大主應力和安全系數偏大，最大剪應力和最大沉降偏小；最大偏移百分比出現在一般工況下的最大剪應力，達到 -21.76% ，最小偏移百分比出現在暴雨工況下的安全系數，為 6.25% 。

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