基于數(shù)值模擬堆積體邊坡變形特征分析

梁利紅

(廣東省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì),廣東 惠州 516008)

基于數(shù)值模擬堆積體邊坡變形特征分析

梁利紅

(廣東省地質(zhì)局 第七地質(zhì)大隊(duì),廣東 惠州 516008)

隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用,FLAC3D在巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析領(lǐng)域得到了快速運(yùn)用。結(jié)合某邊坡,用FLAC3D進(jìn)行三維分析模擬計(jì)算,并分析邊坡變形特征、應(yīng)力特征及穩(wěn)定性,結(jié)果表明,FLAC3D數(shù)值模擬邊坡應(yīng)力、變形特征與工程實(shí)際相符。

堆積體邊坡;數(shù)值模擬;變形特征

在廣東地區(qū),有大量松散堆積體斜坡,其不同于常見(jiàn)的巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡,它是一種具有不連續(xù)性、非均質(zhì)性和各向異性等復(fù)雜特性的力學(xué)介質(zhì)[1],由于有這些特性的影響,決定了堆積體性質(zhì)研究的復(fù)雜性[2]。因此,開(kāi)展堆積體邊坡穩(wěn)定性、變形特征分析和應(yīng)力變化[3]分析至關(guān)重要。以“惠州市惠東縣某滑坡”為研究對(duì)象,通過(guò)相關(guān)的建模數(shù)據(jù),建立FLAC3D[4]三維模型,并選取典型地質(zhì)斷面進(jìn)行分析,基于數(shù)值模擬得出對(duì)堆積體邊坡的應(yīng)力特征、變形特征及穩(wěn)定性評(píng)價(jià),并對(duì)類似坡體的變形破壞特征、穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)與支護(hù)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考和示范借鑒。

1 工程概況

惠東縣某村后側(cè)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(zhì)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(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。

2013年8年16日,受“尤特”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)持續(xù)強(qiáng)降雨影響,該堆積體邊坡發(fā)生變形跡象,但是并沒(méi)有整體失穩(wěn),在中上部標(biāo)高155 m處坡面出現(xiàn)橫向張拉裂縫,長(zhǎng)約38 m,裂縫寬約0.3～0.5 m,中下部標(biāo)高103 m處坡面發(fā)育鼓丘裂隙,鼓脹凸起部分土質(zhì)松散。該堆積體邊坡經(jīng)極限平衡法[5]評(píng)價(jià),邊坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。

2 計(jì)算模型

首先建立該邊坡工程地質(zhì)模型,從研究區(qū)域地形圖上直接讀取地形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù),在AUTOCAD把整個(gè)模型的構(gòu)造輪廓精細(xì)反映出來(lái),確定關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo);然后再通過(guò)特定的轉(zhuǎn)換軟件轉(zhuǎn)換文件的格式,導(dǎo)入ANSYS軟件中進(jìn)行模型建立,并最終生成網(wǎng)格;最后,通過(guò)ANSYS模型中的節(jié)點(diǎn)和單元信息文件生成FLAC3D的腳本文件,導(dǎo)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(xué)性質(zhì)的輸入?yún)?shù)

該邊坡巖土體強(qiáng)度參數(shù)的選取以勘察試驗(yàn)成果數(shù)據(jù)為依據(jù),坡殘積粉質(zhì)粘土天然狀態(tài):重度19 kN/m3,粘聚力24 kPa,內(nèi)摩擦角18°;飽和狀態(tài):重度20 kN/m3,粘聚力22 kPa,內(nèi)摩擦角16°;強(qiáng)風(fēng)化砂巖天然狀態(tài):重度21 kN/m3,粘聚力35 kPa,內(nèi)摩擦角25°;飽和狀態(tài):重度22 kN/m3,粘聚力33 kPa,內(nèi)摩擦角22°。為了更好地評(píng)價(jià)邊坡的變形、應(yīng)力特征和穩(wěn)定性,針對(duì)現(xiàn)狀邊坡,考慮自重狀態(tài)和自重+暴雨?duì)顟B(tài)兩種工況進(jìn)行數(shù)值模擬分析,探討邊坡的穩(wěn)定性、應(yīng)力特征和變形特征。

圖2 剖面1計(jì)算模型Fig.2 Calculation model of Profile 1

4 現(xiàn)狀邊坡數(shù)值模擬分析

4.1 計(jì)算模型與計(jì)算工況

對(duì)于現(xiàn)狀邊坡,選取剖面1作為研究對(duì)象,計(jì)算模型邊界選取邊坡周界,同時(shí)外延20～30 m。計(jì)算工況選擇自重狀態(tài)和自重+暴雨?duì)顟B(tài)兩種工況。

剖面1的FLAC3D計(jì)算模型如圖2所示。

考慮到堆積體邊坡巖土參數(shù)的差異性,對(duì)邊坡分為兩種不同參數(shù)的巖土材料進(jìn)行模擬,同時(shí),對(duì)于邊坡下部基巖,根據(jù)其巖性參數(shù)也分為兩部分進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算模型考慮。

4.2 主應(yīng)力分析

考慮計(jì)算工況選擇自重狀態(tài)和自重+暴雨?duì)顟B(tài)兩種工況,分別就典型剖面在兩種工況下的主應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。

自重狀態(tài)和自重+暴雨?duì)顟B(tài)兩種工況下剖面1最大主應(yīng)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(xiàn)為壓應(yīng)力分布,越靠近邊坡面應(yīng)力值越小,在坡肩處,應(yīng)力值發(fā)生變化,表現(xiàn)為較大的拉應(yīng)力,同時(shí)坡腳出現(xiàn)較大的剪切應(yīng)力。對(duì)比圖3和圖4可知,暴雨條件下使得邊坡坡肩拉應(yīng)力和坡腳剪切應(yīng)力明顯增加,說(shuō)明暴雨對(duì)本邊坡的穩(wěn)定性有較大影響。

4.3 位移分析

考慮計(jì)算工況選擇自重狀態(tài)和自重+暴雨?duì)顟B(tài)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(jìn)行分析。

圖3 自重狀況下剖面1最大主應(yīng)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?duì)顩r下剖面1最大主應(yīng)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(jù)FLAC3D數(shù)值模擬應(yīng)力和位移分析,邊坡在未發(fā)生較大位移變形破壞的狀態(tài)下,其應(yīng)力、位移變形分布特征主要表現(xiàn)為:

(1) 在坡腳處,由于應(yīng)力分布的影響,導(dǎo)致出現(xiàn)一個(gè)明顯的應(yīng)力集中帶,該處最大主應(yīng)力出現(xiàn)明顯的增加,最小主應(yīng)力則顯著下降,甚至可能出現(xiàn)負(fù)值,主要應(yīng)力特征是最大主應(yīng)力表現(xiàn)為切向應(yīng)力,最小主應(yīng)力表現(xiàn)為徑向應(yīng)力,從而形成了最大剪應(yīng)力增高帶,極易出現(xiàn)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(yīng)力狀態(tài)呈現(xiàn)為拉應(yīng)力集中,導(dǎo)致坡肩極易出現(xiàn)拉伸破壞,如該堆積體邊坡中上部發(fā)育一條貫通弧形張拉裂縫,裂縫寬0.3～0.5 m,可見(jiàn)深度達(dá)1.5～2 m。

根據(jù)以上分析,說(shuō)明FLAC3D數(shù)值模擬應(yīng)力和位移分析與工程實(shí)際相符。即坡肩處拉應(yīng)力集中,導(dǎo)致坡肩極易出現(xiàn)拉伸破壞,變形表現(xiàn)為坡肩發(fā)育一條貫通弧形張裂縫;坡腳處形成最大剪應(yīng)力增高帶,易產(chǎn)生剪切破壞,變形表現(xiàn)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?duì)顩r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(guò)對(duì)邊坡在自重和自重+暴雨兩種工況下進(jìn)行變形和應(yīng)力特征數(shù)值模擬分析可以發(fā)現(xiàn),在暴雨作用下,堆積體邊坡誘發(fā)變形破壞,穩(wěn)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(fā)滑坡地質(zhì)災(zāi)害的主要因素[6]。因此,有必要針對(duì)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(wěn)定性和強(qiáng)度。

5 結(jié)束語(yǔ)

FLAC3D數(shù)值模擬滑坡的應(yīng)力、變形特征與該滑坡的位移變形特征基本一致,驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析堆積體滑坡變形特征的正確性。通過(guò)對(duì)變形及應(yīng)力特征分析,針對(duì)工程區(qū)巖土體性狀及變形特點(diǎn),建議采用抗滑樁+清方卸載的方案對(duì)不穩(wěn)定邊坡進(jìn)行綜合治理。

通過(guò)FLAC3D三維分析模擬計(jì)算,對(duì)邊坡變形特征、應(yīng)力特征及穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià),為不穩(wěn)定斜坡治理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合數(shù)值模擬來(lái)綜合分析邊坡變形特征、應(yīng)力特征并預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì),也可為類似坡體的穩(wěn)定性分析評(píng)價(jià)與支護(hù)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考和示范借鑒。

極限平衡法計(jì)算邊坡穩(wěn)定性時(shí)不能反映邊坡組成物質(zhì)的本構(gòu)關(guān)系、應(yīng)力特征及變形位移量,而數(shù)值分析方法能依托計(jì)算機(jī)技術(shù),能夠計(jì)算并直觀反映出邊坡內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)分布和位移變形特征,因此,FLAC3D在巖土工程邊坡穩(wěn)定性分析領(lǐng)域具有較為廣闊的開(kāi)發(fā)運(yùn)用前景。

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

[2] 馮剛.復(fù)雜堆積體邊坡變形失穩(wěn)分析及其穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)[D].天津:天津大學(xué),2011.

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

[4] 劉波,韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與應(yīng)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(wěn)定性分析和工程措施研究[J].貴州水利發(fā)電,2003,17(4):5-9.

[6] 易順民,梁池生.廣東省地質(zhì)災(zāi)害及防治[M].北京:科學(xué)出版社,2010.

(責(zé)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(zhì)工程專業(yè),從事地質(zhì)災(zāi)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(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.020.html 數(shù)字出版日期:2017-03-14 08:25