基于FLAC-3D強度折減法的邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

梅 嶺, 季佩祥, 張?zhí)h

(江蘇科技大學 土木工程與建筑學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于FLAC-3D強度折減法的邊坡穩(wěn)定性影響因素敏感性分析

梅 嶺, 季佩祥, 張?zhí)h

(江蘇科技大學 土木工程與建筑學院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

通過建立均質(zhì)土坡模型,利用FLAC-3D 軟件的強度折減法,求解邊坡穩(wěn)定系數(shù),系統(tǒng)地研究了邊坡穩(wěn)定性影響因素的敏感性問題.利用邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)以及塑性貫通區(qū)作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù),通過每次改變一個參數(shù)變量來確定穩(wěn)定系數(shù)Fs與巖體力學參數(shù)的關(guān)系,找出敏感性最強的因素,結(jié)果表明:內(nèi)摩擦角敏感性最強,粘聚力和土體重度次之,但兩者之間沒有定量的關(guān)系.

FLAC-3D; 邊坡穩(wěn)定; 敏感性分析

工程實踐表明,滑坡嚴重威脅我國國民的生產(chǎn)和生活安全,其穩(wěn)定性已成為我國目前工程建設(shè)中亟待解決的問題之一.影響滑坡穩(wěn)定性的主要因素有滑帶土的組構(gòu)特性、物理力學特性以及滑帶土的強度特性.因此,合理確定滑帶土的力學參數(shù)是判斷滑帶穩(wěn)定與治理的關(guān)鍵[1].由于巖土體具有隨機性、模糊性及可變性等特點,在實際勘察設(shè)計中主要針對影響邊坡穩(wěn)定的較敏感的參數(shù)作敏感性分析[2].基于此,文中利用FLAC-3D軟件對邊坡穩(wěn)定的主要影響因素,如粘聚力、內(nèi)摩察角以及土體的重度分別作敏感性分析.

1 FLAC-3D強度折減法原理

強度折減法中邊坡的安全系數(shù)定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態(tài)時,對其強度參數(shù)進行折減的程度,即巖土體的實際抗剪強度與臨界破壞時的折減后剪切強度的比值.若邊坡采用Mohr-Coulomb準則,影響其穩(wěn)定性的強度參數(shù)是粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ,將坡體原始的粘聚力c0和內(nèi)摩擦角φ0同時除以一個折減系數(shù)Ks,然后進行數(shù)值分析[3].通過不斷增大Ks,反復(fù)分析直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài),此時的折減系數(shù)即為安全系數(shù)Fs.假設(shè)此時粘聚力和內(nèi)摩擦角為ccr和φcr,據(jù)此可得原始邊坡對應(yīng)的安全系數(shù)為:

(1)

2 三維邊坡穩(wěn)定性影響參數(shù)的敏感性分析

某邊坡基本概況[4]如下:均質(zhì)土坡,坡高10 m,坡腳為45°,坡腳到左側(cè)邊界的距離為2 m,坡頂?shù)接覀?cè)邊界的距離為8 m,坡腳向下延伸距離為3m.其基本的巖土體物理力學參數(shù)指標如表1所示,模型的具體尺寸見圖1(y方向垂直于紙面,長度取4 m).

表1 物理、力學參數(shù)指標

Table 1 Index of physical,mechanical parameters on soil

密度ρ/kg·m-3體積模量K/MPa剪切模量G/MPa粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)正應(yīng)力σt/MPa20001003012.382010000

圖1 邊坡平面尺寸模型示意

為了反映邊坡的實際狀態(tài),本模型還將邊坡底部的x,y和z方向進行固定,并將邊坡各邊界的速度予以固定.所建模型采用的是Mohr-Coulomb準則,按自重應(yīng)力的作用考慮模型的初始應(yīng)力場,計算收斂的準則是確定模型內(nèi)部各點的不平衡比率滿足小于10-5的求解要求.經(jīng)FLAC-3D計算分析后，最終所得的剪應(yīng)變云圖及塑性區(qū)的分布情況如圖2所示.

圖2 算例模型剪切應(yīng)變增量云圖及速度矢量

從圖中可以得到該算例模型的最終安全系數(shù)為1.05,其塑性貫通區(qū)域已經(jīng)貫穿整個邊坡,形成了潛在的滑動面,說明這一區(qū)域已經(jīng)出現(xiàn)了明顯的滑動,邊坡此時發(fā)生了破壞.

由于數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展,數(shù)值分析軟件較傳統(tǒng)的理論分析方法具有考慮因素全面、計算快捷等特點,基于此,可以通過FLAC-3D求解邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)來分析不同參數(shù)間的敏感程度.由于FLAC-3D編程時需要設(shè)置的參數(shù)眾多,故采取對邊坡穩(wěn)定性影響重大的主要參數(shù)進行敏感性分析.在閱讀相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上選取粘聚力c、內(nèi)摩擦角φ以及土體重度γ作為主要研究對象來考察其對邊坡穩(wěn)定性的影響程度.使用FLAC-3D分析邊坡的穩(wěn)定性狀態(tài)的基本步驟如上所述,具體的計算方法是每次只改變一個參數(shù),而其他所需的參數(shù)則保持不變,最終建立的計算方案如表2所示.

表2 具體的計算方案

2.1c與φ關(guān)于Fs的敏感性比較分析

當γ=20 kN/m3時,分別通過改變c與φ的值來考察邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),經(jīng)FLAC-3D有限差分法計算后,分別得到粘聚力c固定時,φ與Fs的關(guān)系曲線以及φ固定時,c與Fs的關(guān)系曲線,結(jié)果分別如圖3,4所示.

圖3 φ與Fs的關(guān)系曲線

圖4 c與Fs的關(guān)系曲線

從以上c、φ與Fs的關(guān)系曲線圖中可以得出:無論粘聚力還是內(nèi)摩擦角都與邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)近似成線性關(guān)系，且Fs分別隨著c和φ的增大而增大.現(xiàn)分別取其中的一條曲線進行c與Fs和φ與Fs的曲線關(guān)系擬合,所得的結(jié)果分別如圖5,6所示.

圖5 φ與Fs的擬合關(guān)系曲線

圖6 c與Fs的擬合關(guān)系曲線

從c與Fs以及φ與Fs的擬合曲線關(guān)系圖中可知,當γ=20 kN/m3時,圖5，6中的相關(guān)系數(shù)分別為0.998 6和0.998 2,即以上曲線擬合的可信度非常高.由于Fs與φ擬合的曲線為二次拋物線,Fs與c擬合為一次線性函數(shù),故可以通過二次函數(shù)的割線模量與一次函數(shù)的比例系數(shù)來判斷各自的敏感性程度.因為圖5中的割線模量為1.216 8遠大于圖6中的0.034 2,故可以最終判斷φ對邊坡穩(wěn)定性的敏感程度高于c對邊坡穩(wěn)定性的敏感程度.

2.2γ與φ關(guān)于Fs的敏感性比較分析

當c=12.38 kPa時,分別通過改變γ與φ的值來考察邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù),經(jīng)FLAC-3D有限差分法計算后,分別得到γ固定時,φ與Fs的關(guān)系曲線以及φ固定時,γ與Fs的關(guān)系曲線,結(jié)果分別見圖7,8.

圖7 φ與Fs的關(guān)系曲線

圖8 γ與Fs的關(guān)系曲線

從以上γ，φ與Fs的關(guān)系曲線圖中,可以得出,無論土體重度還是內(nèi)摩擦角都與邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)近似成線性關(guān)系,但是Fs隨著φ增大而增大,而Fs隨著土體重度增大而減小.從圖8中取一條曲線進行γ與Fs的關(guān)系曲線擬合,所得的結(jié)果如圖9所示.

圖9 γ與Fs的擬合關(guān)系曲線

由圖9可以知道,γ與Fs則最終擬合為一次直線,其比例系數(shù)為0.024 3,遠小于圖5中的1.216 8,故可以最終判斷φ對邊坡穩(wěn)定性的敏感程度高于γ對邊坡穩(wěn)定性的敏感程度.

2.3γ與c關(guān)于Fs的敏感性比較分析

當φ=20°時,分別通過改變c與γ的值來考察邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù).經(jīng)FLAC-3D有限差分法計算后,分別得到γ固定時,c與Fs的關(guān)系曲線以及c固定時,γ與Fs的關(guān)系曲線,其結(jié)果分別如圖10,11所示.

圖10 c與Fs的關(guān)系曲線

圖11 γ與Fs的關(guān)系曲線

從以上γ、c與Fs的關(guān)系曲線圖中,可以得出,無論土體重度還是粘聚力都與邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)近似成線性關(guān)系:隨著粘聚力的增大,邊坡越來越穩(wěn)定,而隨著土體重度的增大,邊坡則逐漸有失穩(wěn)的趨勢.現(xiàn)從圖11中取兩條曲線進行γ與Fs的曲線關(guān)系擬合,所得的結(jié)果如圖12所示.

由γ與Fs的擬合曲線關(guān)系圖12可知,該圖中一次線性擬合曲線的比例系數(shù)為0.024 3,小于圖6中c與Fs的比例系數(shù)0.034 2,可以判斷c對邊坡穩(wěn)定性的敏感程度高于γ對邊坡穩(wěn)定性的敏感程度;但是研究發(fā)現(xiàn),當c=37.14 kPa時,γ與Fs的一次線性擬合曲線中的比例系數(shù)為0.060 8高于圖6中的0.034 2,所以當c=37.14 kPa時γ對邊坡穩(wěn)定性的敏感程度高于c對邊坡穩(wěn)定性的敏感程度.

a) c=12.38 kPa

b) c=37.14 kPa

綜上所述,在邊坡穩(wěn)定性的影響因素中,當內(nèi)摩擦角固定時,土體重度與粘聚力的敏感性程度并無定性關(guān)系.當粘聚力較小時,土體重度對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性小于粘聚力對邊坡的敏感性,而當粘聚力較大時,土體重度對邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)的敏感性大于粘聚力對邊坡的敏感性.

3 結(jié)論

由于邊坡巖土體的礦物、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)等均隨時間、空間而改變,其所反映的一些參數(shù)如粘聚力、內(nèi)摩擦角、重度等多具有復(fù)雜多變的特點.當雨季來臨時,土體的穩(wěn)定性會大幅度下降,因此,分析影響邊坡穩(wěn)定的土體參數(shù)敏感性程度尤為重要.本文通過FLAC-3D有限差分法對影響邊坡穩(wěn)定性的巖土體參數(shù)進行敏感性分析,得到的結(jié)論如下:內(nèi)摩擦角的敏感性最強,粘聚力和土體重度次之,與前人所得的結(jié)論相一致[5-7].但是土體重度與粘聚力對邊坡穩(wěn)定的敏感性的相互關(guān)系卻與現(xiàn)有的研究結(jié)果存在一定差別[7],原因是FLAC-3D軟件能夠克服傳統(tǒng)極限平衡法中的不足,能夠有效地考慮變形、剪脹角等因素對邊坡穩(wěn)定的影響,故認為文中的結(jié)論更接近工程實際,可以作為邊坡防治設(shè)計的有益借鑒.

References)

[1] 張新敏,蔣中明,劉建輝.公路滑坡滑帶c、φ值反分析方法[J].中外公路,2005,25(5):24-26. Zhang Xinmin,Jiang Zhongming,Liu Jianhui. The inversing analysis method ofCandφon highway landslide zone[J].JournalofChina&ForeignHighway,2005,25(5):24-26.(in Chinese)

[2] 王家臣.邊坡工程隨機分析原理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1996.

[3] 孫書偉,林杭,任連偉.FLAC-3D在巖土工程中的應(yīng)用[M].中國水利水電出版社,2011.

[4] 陳育民,徐鼎平.FLAC/FALC-3D基礎(chǔ)與工程實例[M].中國水利水電出版社,2008.

[5] 羅常青,陳征宙,李文勇,等.某加筋土邊坡穩(wěn)定性系數(shù)影響因素的敏感性分析[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學報,2008(4):479-483. Luo Changqing, Chen Zhengyu, Li Wenyong,et al. Sensitivity analysis of stability coefficient influence factors on a reinforced soil slope[J].JournalofDisasterPreventionandMitigationEngineering, 2008(4):479-483.(in Chinese)

[6] 黃霞,譚鵬燕.敏感性分析在滑坡力學參數(shù)選取中的應(yīng)用[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2011,30(1):655-657. Huang Xia,Tan Pengyan. Application of sensitivity analysis in the selection of mechanical parameters of landslide[J].JournalofChongqingJiaotongUniversity:NaturalScience,2011,30(1):655-657.(in Chinese)

[7] 龐茂康,任光明,李冬芹，等.某滑坡滑帶土強度參數(shù)的敏感性分析[J].水電能源科學,2010,28(10):47-50. Pang Maokang, Ren Guangming, Li Dongqin,et al. Sensitivity analysis of strength parameters of landslide slip zone[J].WaterResourcesandPower, 2010,28(10):47-50.(in Chinese)

(責任編輯： 貢洪殿)

Sensitivity analysis of factors influencing stability of slope by strength reduction method based on FLAC-3D

Mei Ling, Ji Peixiang, Zhang Taiyue

(School of Architecture and Civil Engineering,Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang Jiangsu 212003, China)

A solution to the stability coefficient of slope is obtained by establishing a homogeneous soil slope model and using FLAC-3D software with the strength reduction method built in itself. The paper systematically studies the sensitivity factors of slope stability. The safety factor of slope stability and the plastic area are taken as the slope failure criterion. In order to find the relationship between the stability coefficient and the mechanical parameters of rock mass, and to find the most sensitive factor, only one parameter variable is changed. The results show that the sensitivity of the angle of internal friction is the highest, and cohesive strength and soil weight are less sensitive. There is no permanent quantitative relationship between cohesive strength and soil weight.

FLAC-3D; slope stability; sensitivity analysis

10.3969/j.issn.1673-4807.2014.03.004

2013-12-24

梅 嶺(1982—)，男，博士,副教授，研究方向為邊坡穩(wěn)定性.E-mail:mling530@163.com

TU413

A

1673-4807(2014)03-0220-05