基于FLAC3D的危巖體穩(wěn)定性分析

楊春峰, 王 合,2, 肖 輝

(1. 沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044; 2. 中建二局第二建筑工程有限公司, 廣東 深圳 518000)

目前,計算機(jī)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于地質(zhì)工程研究中,其不但可以快速、精確地解決復(fù)雜煩瑣的數(shù)值計算問題,而且可以直觀地模擬分析巖體內(nèi)部的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及巖體的變形、位移等特征.FLAC3D軟件作為應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值分析軟件之一,在研究分析材料非線性、大變形、塑性分析等領(lǐng)域有其獨特的優(yōu)勢.大量研究表明[1-5],數(shù)值分析軟件FLAC3D在巖土工程地質(zhì)災(zāi)害分析中有較高的適用性和可信度.

本文以老鷹巖斜坡上部獨立危巖體為研究對象, 采用FLAC3D軟件對危巖體進(jìn)行模擬, 模擬分析危巖體在不同條件下的破壞過程、位移變形、應(yīng)力狀態(tài)等特征, 采用強(qiáng)度折減法計算危巖體在不同工況下的安全系數(shù),并與傳遞系數(shù)法計算得到的安全系數(shù)進(jìn)行對比分析, 為正確判斷危巖體的穩(wěn)定性及選擇合理的治理措施提供依據(jù)[6-8].

1 工程概況

老鷹巖位于四川省甘孜州康定市姑咱鎮(zhèn)浸水村大渡河右岸, 老鷹巖斜坡上巖體裂隙發(fā)育, 完整性差. 通過對老鷹巖地質(zhì)資料的收集和野外勘查可知, 老鷹巖處于地震多發(fā)地帶,地震烈度為9度, 地震作用不僅使老鷹巖發(fā)生崩塌落石, 而且使多處巖體發(fā)生劇烈的變形, 產(chǎn)生構(gòu)造裂隙, 再加上降雨、削坡、坡腳修建道路等促進(jìn)了巖體新老裂隙的產(chǎn)生和發(fā)展, 形成了大量的危巖體.據(jù)調(diào)查可知, 老鷹巖危巖體多次發(fā)生崩塌落石, 且多發(fā)生在大量降雨之后, 嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳?、生命安全及坡腳省道S211上來往車輛的安全.

老鷹巖斜坡上共發(fā)育有3處危巖帶、1處獨立危巖體和3處崩塌堆積體.本文以獨立危巖體為研究對象,危巖體高6.8 m,寬4.2 m,厚2.1 m,危巖體后緣發(fā)育有卸荷裂隙,裂隙的形成和發(fā)育是由地震、降雨等多種因素共同作用的結(jié)果,裂隙頂部張開20 cm,深度4.2 m,裂隙內(nèi)主要以泥土填充, 危巖體穩(wěn)定性主要受該后緣裂隙控制.獨立危巖體巖性為元古界第4期花崗巖.由室內(nèi)土工實驗測得危巖體的地質(zhì)參數(shù)見表1[9],獨立危巖體立面圖、剖面圖見圖1、圖2.

表1 危巖體地質(zhì)參數(shù)

圖1 獨立危巖體立面圖Fig.1 Elevation of independent dangerous rock mass

圖2 獨立危巖體剖面圖Fig.2 Profile of independent dangerous rock mass

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 FLAC3D模型建立

根據(jù)危巖體的工程地質(zhì)立面圖、剖面圖(見圖1、圖2),采用FLAC3D5.0的Extrusion建模,如圖3所示.

圖3 Extrusion建模Fig.3 Extrusion modeling

本構(gòu)模型采用FLAC3D5.0內(nèi)嵌的常用于模擬分析巖土體的Mohr-Coulomb塑性模型.危巖體模型圖如圖4所示.

圖4危巖體模型圖
Fig.4Model diagram of dangerous rock mass

危巖體模型以危巖體所在的斜坡水平方向為X軸,長約10 m,高度方向為Z軸,高約12 m,寬度方向為Y軸,厚約2 m,共4 920個節(jié)點,3 600個單元組成.模擬計算過程中,靜力邊界條件的設(shè)置采用固定邊界條件的方式,設(shè)置計算模型的位移邊界為固定X軸2個方向(X=0 m、X=10 m)的位移,Y軸2個方向(Y=0 m、Y=2 m)的位移,以及約束模型底邊方向(Z=0 m)的位移,不約束危巖體上部的位移.

2.2 模擬結(jié)果和分析

(1) 天然工況下模擬結(jié)果和分析.在天然工況下,只考慮危巖體自重產(chǎn)生的應(yīng)力作用,危巖體地質(zhì)參數(shù)采用天然工況下的取值,采用強(qiáng)度折減法計算安全系數(shù).危巖體天然工況下參數(shù)取值見表2,模擬結(jié)果見圖5～圖10.

表2 天然工況下危巖體參數(shù)取值表

圖5 危巖體模型天然工況下Z方向變形圖

圖6 危巖體模型天然工況下X方向變形圖

圖7 危巖體模型天然工況下最大切應(yīng)力圖

圖8 危巖體模型天然工況下最大主應(yīng)力圖

圖9危巖體模型天然工況下最大切應(yīng)力增量圖

Fig.9Maximum shear stress increment diagram of a dangerous rock mass model under natural conditions

由圖5、圖6可得出危巖體模型天然工況下的安全系數(shù)為1.91,與傳遞系數(shù)法計算得出的危巖體在天然工況下的安全系數(shù)為1.95相比,兩者相差不大.

圖10危巖體模型天然工況下變形速度圖

Fig.10Deformation velocity diagram of dangerous rock mass under natural conditions

在危巖體模型處于極限平衡狀態(tài)下,由圖5可以得到Z方向變形的最大值為8.36 cm;由圖6可以得到X方向變形的最大值為30 cm,最大變形都位于上部花崗巖右半部分臨空面1/3處,類似重力擋墻最大受力位置.

由圖7、圖8可以得到最大切應(yīng)力與最大主應(yīng)力與正常巖石分布基本一致,主要是由巖體自重產(chǎn)生的應(yīng)力.

由圖9、圖10可以得到危巖體在天然條件下最大切應(yīng)力增量最大值與變形速度最大值的位置吻合. 因此, 危巖體的模擬與實際情況比較符合, 所以該模型的建模和參數(shù)取值都在合理范圍內(nèi).

在天然條件下,該獨立危巖體不會發(fā)生崩塌產(chǎn)生落石,但在自然風(fēng)化、植物劈裂等作用下,花崗巖強(qiáng)度不斷降低,有可能在若干年之后發(fā)生破壞.因此,在實際工程中,可以對裂隙進(jìn)行注漿處理,保證該裂隙面的穩(wěn)定和安全.

(2) 暴雨工況下模擬結(jié)果及分析.在暴雨條件下,考慮雨水對危巖體的影響及危巖體后緣裂隙中水壓力作用,采用花崗巖飽和狀態(tài)下進(jìn)行模擬,邊界條件與之前一致,均采用固定邊界條件進(jìn)行約束,危巖體暴雨工況下參數(shù)取值如表3所示,模擬結(jié)果見圖11～圖16.

表3 危巖體暴雨工況下參數(shù)取值表

由圖11、圖12得出危巖體的安全系數(shù)為1.11, 傳遞系數(shù)法計算得出的危巖體在暴雨工況下的安全系數(shù)為1.11, 可以看出在暴雨工況下, 危巖體的安全系數(shù)明顯降低, 但仍處于相對穩(wěn)定的狀態(tài).

圖11 危巖體模型暴雨工況下Z方向變形圖

圖12 危巖體模型暴雨工況下X方向變形圖

圖13 危巖體模型暴雨工況下最大切應(yīng)力圖

圖14 危巖體模型暴雨工況下最大主應(yīng)力圖

圖15 危巖體模型暴雨工況下最大切應(yīng)力增量圖

圖16危巖體模型暴雨工況下變形速度圖

Fig.16Deformation velocity graph of dangerous rock mass model under rainstorm condition

由圖11可以得出危巖體在暴雨工況下Z方向變形的最大值為10.09 cm,比天然工況下的變形稍大;由圖12可以得出危巖體在暴雨工況下X方向的最大變形為37.8 cm,比天然工況下的變形大,但最大值的位置吻合.暴雨工況與天然工況下危巖體的變形、應(yīng)力狀態(tài)相比,可以看出相對應(yīng)的位移、最大應(yīng)力等均有一定程度的變化,但無論是位移還是最大切應(yīng)力增量等的變化趨勢和影響范圍都基本一致.

2.3 安全系數(shù)的對比分析

通過模擬得出的安全系數(shù)與傳遞系數(shù)法計算的安全系數(shù)比較結(jié)果如表4所示.

表4 危巖體安全系數(shù)對比表

通過與傳遞系數(shù)法計算出的結(jié)果對比分析發(fā)現(xiàn),模擬出來的安全系數(shù)與計算結(jié)果相比偏小,一方面是由于FLAC3D軟件本身偏保守,計算出來的結(jié)果偏小;另一方面是一些參數(shù)是通過經(jīng)驗取值,所得結(jié)果和實際有相應(yīng)偏差.

總體來說模擬得出變化的趨勢和計算結(jié)果一致,危巖體在天然工況和暴雨工況下都基本穩(wěn)定.

3 結(jié) 論

(1) 利用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC3D對危巖體進(jìn)行模擬,通過建立模型、參數(shù)賦值,模擬分析了危巖體在天然和暴雨2種工況下的變形、應(yīng)力狀態(tài)等特征.模擬結(jié)果與實際情況相符,說明模型的建立和參數(shù)取值是合理的.

(2) 通過數(shù)值軟件FLAC3D模擬的結(jié)果與傳遞系數(shù)法計算得出的結(jié)果相對比,發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果比計算結(jié)果偏小,但總體變化趨勢一致,且暴雨工況下危巖體的安全系數(shù)明顯降低.