FLAC3D在邊坡數(shù)值分析及位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

張 穎， 孫兆濤， 裴仲文

(遼寧有色勘察研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110013)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)一直是我國(guó)巖土工程領(lǐng)域中的熱點(diǎn)關(guān)注課題，通常用安全系數(shù)評(píng)價(jià)坡體穩(wěn)定性，目前計(jì)算坡體安全系數(shù)的方法有很多，包括極限平衡法、有限元法、離散元法等[1]，F(xiàn)LAC3D作為有限差分法，適用于多種不同本構(gòu)關(guān)系材料[2]，對(duì)連續(xù)介質(zhì)可進(jìn)行非線性大變形分析，應(yīng)用效果良好。

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)邊坡變形機(jī)制及穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，大多數(shù)的研究方法將邊坡變形機(jī)制簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題。但邊坡變形破壞是一種復(fù)雜的三維應(yīng)力狀態(tài)機(jī)制，本文擬對(duì)岫巖縣某邊坡變形破壞效應(yīng)采用三維模型進(jìn)行分析，使模擬條件更接近工程實(shí)際[3]。將數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)效果對(duì)比，進(jìn)行有效的方法驗(yàn)證，為邊坡的進(jìn)一步抗滑設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 工程地質(zhì)概況

勘察邊坡位于岫巖滿(mǎn)族自治縣東南方向的小虎嶺社區(qū)口子街老山頭，在新建興雅線公路東側(cè)，交通較為便利。邊坡所處地貌單元屬低山丘陵地貌，地形起伏較大。場(chǎng)地邊坡南北走向長(zhǎng)約750 m，坡面最高50～55 m，見(jiàn)圖1?；律襟w最高處與公路高差69 m，滑坡山體頂部坡角約10°的平臺(tái)上，形成了3～4條平行弧狀地表裂縫，裂縫最大寬度約30 cm，深度>1.0 m，向下錯(cuò)動(dòng)最大錯(cuò)距0.6～0.7 m。邊坡傾向西，坡角多在35°～42°。場(chǎng)地邊坡坡腳下為新建興雅線公路，公路外側(cè)為大洋河，場(chǎng)地及其周?chē)鸁o(wú)其他地表水體。大洋河流向由北向南，河流量較大，河道最寬約150.0 m，水深1.0～4.0 m。據(jù)工程地質(zhì)鉆探揭露，場(chǎng)區(qū)地層主要有第四系人工填土(Q4ml)，坡洪積(Q4dl+pl)碎石土，元古界遼河群蓋縣組(Ptlhgx)絹云母片巖。

圖1 岫巖縣小虎嶺社區(qū)口子街老山頭邊坡全貌

2 滑體破壞模式

經(jīng)工程地質(zhì)調(diào)查、測(cè)繪以及鉆探、槽探等多種手段綜合分析，主滑坡體位于邊坡的中南部。邊坡后緣出現(xiàn)明顯圈椅狀拉張裂隙，構(gòu)成了整個(gè)滑體的后緣邊界。邊坡前緣有破碎帶夾層出露，距坡腳高度約在第一級(jí)平臺(tái)頂面處，形成了滑體的前緣剪出口；從鉆探和槽探結(jié)果來(lái)看，滑體下20余米處有一斷裂破碎帶，底部為斷層泥，成分為粉質(zhì)粘土，且石墨化強(qiáng)烈，多為強(qiáng)風(fēng)化絹云母片巖角礫、構(gòu)造角礫巖、斷層角礫，泥質(zhì)礦物已風(fēng)化成土狀，初見(jiàn)滑石化現(xiàn)象，形成了明顯滑帶；主滑坡的滑床主要為較完整的基巖，基巖的巖性主要為絹云母片巖，多為中風(fēng)化狀態(tài)。見(jiàn)圖2～圖4。

圖2邊坡地形全貌

圖3 坡體槽探確定滑面

圖4 滑帶前緣剪出口

主滑坡體在滑坡的牽引、推擠、扭轉(zhuǎn)等作用下，實(shí)現(xiàn)滑帶巖土的下滑力大于極限抗滑強(qiáng)度時(shí)，主滑坡體會(huì)沿著滑面從坡底剪出口進(jìn)行滑移[4]。

3 邊坡穩(wěn)定性三維數(shù)值模擬

3.1 模型建立及參數(shù)選取

本次邊坡研究區(qū)域見(jiàn)圖5，模型選取滑坡中間部位且沿邊坡走向625 m長(zhǎng)作為研究對(duì)象，為防止邊界效應(yīng)對(duì)研究區(qū)域產(chǎn)生影響，模型尺寸應(yīng)大于研究區(qū)域，尺寸設(shè)置為長(zhǎng)坡體主軸方向長(zhǎng)330 m，高200 m。對(duì)模型的兩側(cè)(x方向)、前后(z方向)施加水平約束，底面(y方向)施加垂直約束。構(gòu)建的模型及坐標(biāo)方向如圖6所示。對(duì)于巖土體采用摩爾- 庫(kù)倫模型。對(duì)于單元的劃分，在強(qiáng)風(fēng)化巖體及其內(nèi)部的碎石土滑帶區(qū)域進(jìn)行更精細(xì)的劃分，本次模型共剖分了98353個(gè)單元，18333個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖5 模型區(qū)域示意

圖6 三維模型及網(wǎng)格剖分示意

本次采用平推法現(xiàn)場(chǎng)大型直剪試驗(yàn)，所有試體的推力方向與試驗(yàn)面垂直，且通過(guò)試面幾何中心。試驗(yàn)面積為2500 cm2。法向應(yīng)力分別為80、140、200、230、290 kPa五個(gè)等級(jí)，通過(guò)堆重載荷用千斤頂加壓。利用位移傳感器和精密油壓表實(shí)測(cè)試體的變形量和應(yīng)力水平。本次針對(duì)不同巖性分別取5組試樣，繪制剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線圖，取曲線上剪應(yīng)力的峰值為抗剪強(qiáng)度τ，利用圖解法得出各巖土層的抗剪強(qiáng)度，其它具體參數(shù)結(jié)合原位試驗(yàn)、土工試驗(yàn)和理論計(jì)算取值(見(jiàn)表1)。

3.2 強(qiáng)度折減法基本原理

表1 模型參數(shù)統(tǒng)計(jì)

強(qiáng)度折減法的原理是利用公式(1)和式(2)來(lái)調(diào)整巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c和φ，然后對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值分析，不斷的增加折減系數(shù)，反復(fù)計(jì)算，直至其達(dá)到臨界破壞，此時(shí)得到的折減系數(shù)為安全系數(shù)FS[5]。

CF=c/Ftr

(1)

φF=tan-1〔(tanφ)Ftr〕

(2)

式中：CF——折減后的粘聚力；φF——折減后的摩擦角；Ftr——折減系數(shù)。

本工程項(xiàng)目FLAC3D采用“二分法”求解安全系數(shù)，前后典型步運(yùn)算結(jié)束時(shí)的不平衡力比率R差值<10%。運(yùn)行時(shí)步超過(guò)10000時(shí)作為終止條件。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度折減法在參數(shù)殘余強(qiáng)度基礎(chǔ)上計(jì)算，得出該邊坡的安全系數(shù)為1.22，三維數(shù)值模擬考慮邊坡走向上應(yīng)力作用，對(duì)下滑趨勢(shì)的巖體提供了更大的抗滑力，因此該結(jié)果是可靠的[6]。

3.3 邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

從圖7～圖9可見(jiàn)，滑坡區(qū)形成一個(gè)中心位置位移最大且向四周逐漸減少的位移區(qū)域，這說(shuō)明該區(qū)域是坡體容易發(fā)生滑移破壞的地帶，且在滑帶與下層中風(fēng)化巖層形成應(yīng)力應(yīng)變突變界限。x方向位移明顯大于z方向位移，且主要向西側(cè)坡外即-x軸方向產(chǎn)生位移，這與滑坡體沿著主軸方向產(chǎn)生位移的規(guī)律是一致的。坡體y方向位移分布與總體位移分布規(guī)律大體一致。向下位移值逐漸減小，直至相對(duì)于上層滑帶形成相對(duì)位移[7-10]。

圖7 x方向位移云圖

圖8 y方向位移云圖

圖9 z方向位移云圖

從總體應(yīng)力分布(圖10、圖11)可以看出，最大主應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在坡體內(nèi)部，表層臨空面為最小主應(yīng)力區(qū)，在強(qiáng)風(fēng)化巖層中滑帶出現(xiàn)局部拉應(yīng)力區(qū)域，構(gòu)成潛在滑移面。由于坡體向西，即x軸方向產(chǎn)生潛在滑移，導(dǎo)致x軸應(yīng)力方向形成拉應(yīng)力區(qū)。y軸方向由于重力壓致拉裂，形成大范圍壓力區(qū)以及少部分拉力區(qū)，上覆巖體對(duì)下臥破碎滑帶的擠壓作用，而上部巖體的下沉又導(dǎo)致了坡體后緣拉應(yīng)力帶的形成，這與前述后緣拉張裂隙的形成機(jī)理相印證[11-13]。

圖10 最大主應(yīng)力云圖

圖11 最小主應(yīng)力云圖

從圖12～圖14看出，潛在滑動(dòng)區(qū)域發(fā)生以剪切應(yīng)變?yōu)橹鞯乃苄宰冃危宜苄詤^(qū)主要分布在坡體的臨空面方向，滑面處為剪切應(yīng)力集中區(qū)域，出現(xiàn)沿層面上的局部拉應(yīng)力區(qū)域，當(dāng)這些局部拉應(yīng)力帶全部貫通，總剪切力超過(guò)滑帶極限抗剪強(qiáng)度，坡體會(huì)產(chǎn)生滑坡的可能。但目前坡體尚未形成連貫的破壞區(qū)[14-16]。

圖12 剪應(yīng)變?cè)茍D

圖13 塑性云圖

圖14 剖面塑性區(qū)

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

勘察期間在滑坡后緣裂縫處布設(shè)8個(gè)豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)(GC1～GC8)，進(jìn)行為期約1個(gè)半月的監(jiān)測(cè)，豎向相對(duì)位移距離在1～3 cm，見(jiàn)圖15。代表性觀測(cè)點(diǎn)GC2、GC3和GC4點(diǎn)位于模型x軸350、310、260 m所在剖面。繪制該3點(diǎn)監(jiān)測(cè)豎向位移最終值與模擬對(duì)比圖，見(jiàn)圖16。

圖15 GC1～GC8點(diǎn)豎向位移與時(shí)間關(guān)系

圖16 GC2～GC4三點(diǎn)監(jiān)測(cè)值與模擬值對(duì)比

綜上，運(yùn)用FLAC3D得到的位移變化范圍為10～30 cm，坡體后緣裂隙的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得到的豎向位移量為12～35 cm，且經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算的平均位移值均大于實(shí)際監(jiān)測(cè)的豎向位移值，這是因?yàn)?，F(xiàn)LAC3D計(jì)算出的變形結(jié)果是在自重條件、天然狀態(tài)下得出的，而實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果是在自重應(yīng)力平衡后，綜合考慮降雨、風(fēng)化、人類(lèi)活動(dòng)等因素引起的變形。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)過(guò)工程地質(zhì)調(diào)查、測(cè)繪以及鉆探、槽探等多種方式，查明了邊坡的分布范圍以及潛在滑動(dòng)面。

(2)利用FLAC3D軟件經(jīng)過(guò)強(qiáng)度折減法在參數(shù)殘余強(qiáng)度基礎(chǔ)上對(duì)該邊坡進(jìn)行三維數(shù)值模擬，得出了應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，得出了該邊坡的安全系數(shù)為1.22，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

(3)通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，分析了數(shù)值模擬的適用性與準(zhǔn)確性。

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