三維數(shù)值模擬在某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

宋民崇，余云燕

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074;2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

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三維數(shù)值模擬在某高速公路邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用

宋民崇1，余云燕2

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074;2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

摘要：近年來三維數(shù)值模擬在邊坡穩(wěn)定性分析中被廣泛應(yīng)用，文中以某滑坡為工程背景，運(yùn)用FLAC3D軟件分析滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)，對滑坡體的位移、應(yīng)力、應(yīng)變、最大不平衡力和特定記錄點(diǎn)的位移與時步關(guān)系進(jìn)行分析，模擬出滑動面的位置，綜合評價滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)，從而為其它同類工程提供有意義的經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：滑坡；穩(wěn)定性分析；FlAC3D；數(shù)值模擬

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對基礎(chǔ)設(shè)施的投資日益加大，特別是西部大開發(fā)的開展，鐵路、公路建設(shè)量逐年增長，而且不斷向山區(qū)延伸，因地形、地貌等條件的約束，不可避免地遇到大量的邊坡工程，有些地區(qū)甚至出現(xiàn)高陡邊坡，不少公路、鐵路線段常有滑坡等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生，造成運(yùn)輸中斷，大量人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。所以進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性研究非常重要。

1工程概況

1.1地形地貌

坡體位于西南山區(qū)，地貌形態(tài)屬于侵蝕構(gòu)造中山地貌，山體主要由板巖、千枚巖等組成。境內(nèi)山巒重疊，山坡多在35°以上，懸崖峭壁隨處可見，山脈為石質(zhì)山地，北側(cè)為下古生界碧口群石英巖夾變質(zhì)砂巖組成的巖質(zhì)岸坡，上部覆蓋第四系薄層坡積碎石土，多為巖石風(fēng)化殘積物。

1.2地層巖性

滑坡區(qū)地層巖性主要為第四系坡積碎石、滑坡堆積塊石、碎石和土、下元古界碧口群，巖性主要有板巖、砂質(zhì)板巖、變質(zhì)砂巖、石英片巖。從新到老依次如下：

第四系坡積碎石層：分布于滑坡北側(cè)平緩山坡上?；尹S色，主要由碎石和土組成，碎石成分為變砂巖、板巖等，分級差，成棱角狀，結(jié)構(gòu)松散，局部具有架空現(xiàn)象。

滑坡堆積塊石、碎石層：分布于南側(cè)，主要由塊、碎石和土組成，地表植被發(fā)育，富含腐殖質(zhì)。前緣巖體破碎，多彎曲變形。

下元古界碧口群板巖：巖石的力學(xué)性能較好，具有抗風(fēng)化能力強(qiáng)、巖體致密而堅(jiān)硬的特點(diǎn)。變質(zhì)砂巖夾石英片巖，新鮮面呈青灰色，微具片理，變余細(xì)粒結(jié)構(gòu)，厚層狀結(jié)構(gòu)，單層厚0.6～0.8 m，巖性致密堅(jiān)硬。

1.3水文條件

所處區(qū)域降水量較大，對坡體的影響主要為兩種途徑：①基巖裂隙水?；鶐r裂隙水主要受大氣降水補(bǔ)給，沿層理、節(jié)理、裂隙下滲向河谷排泄。②孔隙潛水。賦存于第四系松散覆蓋層中，受大氣降水補(bǔ)給，排泄以地下徑流和蒸發(fā)為主。

地下水水質(zhì)及水化學(xué)類型：經(jīng)地表水取樣并進(jìn)行水質(zhì)分析，不含侵蝕性CO2、水化學(xué)類型基本為HCO3-Ca-Mg、SO4-Ga型水?；聟^(qū)地下水對混凝土無腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋無腐蝕性。

滑坡體目前主要受自然條件的影響，包括地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)條件等，沒有人類活動如施工擾動的影響。某滑坡工程地質(zhì)斷面圖如圖1所示。

圖1　某滑坡工程地質(zhì)斷面圖

2數(shù)值計(jì)算

本文采用FLAC3D對滑坡的穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，基于強(qiáng)度折減法的數(shù)值計(jì)算相對于傳統(tǒng)的極限平衡法所得到的安全系數(shù)有很多優(yōu)點(diǎn)：可以模擬出復(fù)雜的邊界條件，地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，各種作用荷載和巖土體的各種力學(xué)特性，并且可以考慮巖土體的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。基于FLAC3D的強(qiáng)度折減法不需要預(yù)先假定滑面，在求解安全系數(shù)時就能夠自動搜索出滑移面的位置和形狀，可以對滑坡的漸近破壞過程進(jìn)行一定的分析。

強(qiáng)度折減方法應(yīng)用到有限差分或有限元分析中可以表述為:保持巖土體的重力加速度為常數(shù)，通過逐步減小抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，將c，φ值同時除以折減系數(shù)Fs，得到一組新的強(qiáng)度指標(biāo)ci，φi，然后進(jìn)行有限元分析，反復(fù)計(jì)算直至邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時采用的強(qiáng)度指標(biāo)與巖土體原具有的強(qiáng)度指標(biāo)之比即為該邊坡的安全系數(shù)Fs。公式如下:

2.1計(jì)算模型的建立

根據(jù)地質(zhì)資料建立三維計(jì)算模型，F(xiàn)LAC3D建模工程浩大、繁瑣，本文采用ANSYS建立模型，然后將模型導(dǎo)入FLAC3D進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，邊坡前緣的腳點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0,0) ，X方向沿著坡腳方向向右為正，Y方向以滑動向前為負(fù)，Z向上為正，向下為負(fù)，高度為150 m，邊坡長150 m，寬150 m，初始地應(yīng)力為自重地應(yīng)力場。邊界條件為：X,Y,Z方向?yàn)楣潭s束，滑坡體主要由碎石土組成，滑床主要由板巖構(gòu)成。計(jì)算參數(shù)選取根據(jù)勘測資料，按照表1取值，計(jì)算工況為天然狀態(tài)。

表1　巖土體力學(xué)參數(shù)

在計(jì)算巖土體的剪切模量和體積模量時，應(yīng)根據(jù)以下公式計(jì)算：

式中：E為巖土體彈性模量，B為巖土體體積模量，S為巖土體剪切模量，μ為材料泊松比。

2.2數(shù)值計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用FLAC3D軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到滑坡安全系數(shù)為0.97，如圖2所示，并對位移、應(yīng)力、應(yīng)變、最大不平衡力和特定記錄點(diǎn)的位移與時步關(guān)系進(jìn)行分析。圖3為ANSYS網(wǎng)格劃分示意圖，圖4為滑坡體示意圖。

圖2　安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖3　ANSYS網(wǎng)格劃分示意圖

圖4　滑坡體示意圖

由于滑坡體主要成分為碎石土，力學(xué)性質(zhì)較低，滑床為板巖，較為堅(jiān)固，滑坡內(nèi)部應(yīng)力場由于外界條件的影響產(chǎn)生變化，本文應(yīng)用TECPLOT圖形處理軟件出圖，下面對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5為滑坡體總位移云圖，圖6為滑坡體總體位移中線位置剖面云圖，在總體位移云圖中可以看到，滑坡體最大位移為15 cm，滑坡體位移從后緣中心位置向外逐漸減小，最大位移產(chǎn)生在滑坡體的后緣中心位置處，從中線位置剖面云圖中可以看出最大位移是從滑坡體后緣中心位置向下逐漸減小。

圖5滑坡體總位移云圖

圖6　滑坡體總位移中線位置剖面云圖

圖7為滑坡體X方向位移云圖，圖8為滑坡體X方向中線位置位移剖面云圖。由圖7、圖8可以看出，滑坡體在X方向的最大位移為3 cm，在X方向上產(chǎn)生位移很小，產(chǎn)生的位移是由于滑坡體一側(cè)略微高于另一側(cè)，在總位移云圖中可以看出藍(lán)色區(qū)域位移為0，其它區(qū)域位移為毫米級。

圖7　滑坡體X方向位移云圖

圖8　滑坡體X方向中線位置位移剖面云圖

圖9為滑坡體Y方向位移云圖，圖10為滑坡體Y方向中線位置位移剖面云圖。由圖9、圖10可以看出，滑坡體在Y方向產(chǎn)生位移，即為滑坡滑動方向，最大位移為11 cm，在Y方向產(chǎn)生位移主要是滑坡向下滑動導(dǎo)致的，在中線剖面云圖中也看出位移是由上到下逐漸減小。

圖9　滑坡體Y方向位移云圖

圖10　滑坡體Y方向中線位置位移剖面云圖

圖11為滑坡體Z方向位移云圖，圖12為滑坡體Z方向中線位置位移剖面云圖，從圖11可以看出，滑坡體最大位移為11 cm，即在上下方向上產(chǎn)生豎向位移，從圖12可以看出，Z方向位移也是由滑坡體后緣中心位置由上到下逐漸減小的。

圖11　滑坡體Z方向位移云圖

圖12　滑坡體Z方向中線位置位移剖面云圖

圖13為主剖面最大主應(yīng)力云圖，圖14為主剖面最小主應(yīng)力云圖，由圖13、圖14可以看出，滑坡體最大主應(yīng)力在分布上基本平行于斜坡臨空面，最大主應(yīng)力約為0.2～2.8 MPa，最小主應(yīng)力約為0.05～0.55 MPa，都為壓應(yīng)力。

圖13　主剖面最大主應(yīng)力云圖

圖14　主剖面最小主應(yīng)力云圖

圖15為滑坡體X方向應(yīng)力云圖，圖16為滑坡體Y方向應(yīng)力云圖，圖17為滑坡體Z方向應(yīng)力云圖，由圖15～17可以看出，X方向應(yīng)力較小，這與X方向上產(chǎn)生位移較小相符合，Y方向的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在坡腳，Z方向應(yīng)力較大，即豎直方向上產(chǎn)生的應(yīng)力值較大，并且隨著深度的增加而增加，這符合地應(yīng)力賦存規(guī)律。

圖15　滑坡體X方向應(yīng)力云圖

圖16　滑坡體Y方向應(yīng)力云圖

圖17　滑坡體Z方向應(yīng)力云圖

圖18、圖19分別為滑坡體剪應(yīng)變增量云圖和剪應(yīng)變增變率云圖，由圖18、圖19可以看出，最大值出現(xiàn)在滑坡體的后緣，因此，滑坡體的破壞應(yīng)該是后緣先開裂。在剪應(yīng)變增量云圖中同時可以看出滑坡體滑動面的位置。

圖18　滑坡體剪應(yīng)變增量云圖

圖19　滑坡體剪應(yīng)變增變率云圖

圖20　滑坡體內(nèi)點(diǎn)(75,95,120)X方向位移變化歷史圖

在FLAC3D計(jì)算時，可在滑坡體內(nèi)設(shè)置一點(diǎn)(75,95,120)，記錄這一點(diǎn)隨時步的變化，同時也可以記錄滑坡體最大不平衡力的變化歷史。圖20～22分別為滑坡體內(nèi)某一點(diǎn)X方向、Y方向和Z方向的位移變化歷史，圖23為最大不平衡力變化歷史。由圖20～22可以看出，X方向產(chǎn)生微小的位移，到計(jì)算結(jié)束時，記錄點(diǎn)有2.2 cm的位移，隨著時步的增加，位移是從0逐漸增加的，記錄點(diǎn)Y方向產(chǎn)生8.1 cm的位移，即指向臨空面方向，也是滑坡滑動方向，記錄點(diǎn)在Z方向上產(chǎn)生7 cm的位移，即向下有7 cm的位移，此記錄點(diǎn)在滑坡體內(nèi)中心位置。對記錄點(diǎn)的選取有一定的代表性，記錄點(diǎn)要能反映滑坡體的穩(wěn)定狀態(tài)，通過位移的變化來說明滑坡體所處狀態(tài)。由圖23可以看出，最大不平衡力逐漸趨于0，計(jì)算是收斂的。

圖21　滑坡體內(nèi)點(diǎn)(75,95,120)Y方向位移變化歷史

圖22　滑坡體內(nèi)點(diǎn)(75,95,120)Z方向位移變化歷史

圖23　最大不平衡力變化歷史

圖24、圖25分別為滑坡體位移矢量圖和速度矢量圖。由圖24、圖25可以看出，這兩個矢量云圖的矢量方向基本是重合的，顯示出了滑坡體的運(yùn)動趨勢，即向著主滑方向滑動，主要是Z方向和Y方向，這兩張?jiān)茍D同時也顯示了滑坡體的范圍。

圖24　滑坡體位移矢量圖

圖25　滑坡體速度矢量圖

3結(jié)論

本文主要是對某高速公路滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，應(yīng)用FLAC3D軟件對其進(jìn)行了定量的計(jì)算，所做的主要工作和得到的相關(guān)結(jié)論可以概括為以下幾點(diǎn)：

1) 根據(jù)地質(zhì)資料運(yùn)用ANSYS建立三維計(jì)算模型，然后將其導(dǎo)入FLAC3D軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到滑坡體安全系數(shù)為0.97，并對位移、應(yīng)力、應(yīng)變、最大不平衡力和特定記錄點(diǎn)的位移與時步關(guān)系進(jìn)行定量的分析。

2)通過三維數(shù)值模擬，對滑坡體運(yùn)動趨勢進(jìn)行分析，在其主滑方向即Y方向最大位移是11 cm，豎直向下即Z方向的位移為11 cm，X方向上位移較小，最大位移僅為3 cm。

3)對滑坡體應(yīng)力的分析得出Y方向的應(yīng)力最大值出現(xiàn)在坡腳，Z方向的應(yīng)力值較大，并且隨著深度的增加而增加，符合地應(yīng)力賦存規(guī)律，對剪應(yīng)變增量的分析可以得出滑坡的破壞將是后緣先開裂，同時也可以判定出滑坡體滑動面的位置。

滑坡體位于高速公路沿線，目前處于不穩(wěn)定狀態(tài)，所處區(qū)域多雨且地震活動頻繁，為了保證日后公路運(yùn)營的安全，建議采取邊坡防護(hù)、治理措施。

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[責(zé)任編輯：劉文霞]

Application of three-dimensional numerical simulation tothe stability analysis of a highway slope

SONG Minchong1，YU Yunyan2

(1.North China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.,Ltd，Tianjin 300074，China；2.College of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China)

Abstract：In recent years, three-dimensional numerical simulation has been widely used in landslide stability analysis.Taking a landslids as the engineering background,this paper makes use of FLAC3Dsoftware to analyze the stability of this landslide, such as landslide displacement, stress, strain, the maximum unbalanced force and the relationship between the displacement of a specific record point and the time step, and simulates the position of the sliding surface, and the comprehensive evaluation of the stability of the landslide,in order to provide a meaningful experience for othersimilar projects.

Key words：landslide; stability analysis; FlAC3D; numerical simulation

中圖分類號：TU457

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1671-4679(2016)01-0004-06

作者簡介：宋民崇(1983-)，男，工程師，研究方向：道路與橋梁.

收稿日期：2015-09-23