基于GOCAD地質(zhì)模型建筑高邊坡FLAC3D數(shù)值模擬

易慶波

(中國電建集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

0 引言

對于建筑邊坡，一般來講，高邊坡是指高度大于30 m的巖質(zhì)邊坡和大于20 m的土質(zhì)邊坡[1]。隨著世界經(jīng)濟(jì)技術(shù)的高速發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模越來越大，在工程建設(shè)中遇到的高陡邊坡穩(wěn)定性問題也變得更加復(fù)雜和重要，特別是在高原丘陵地帶進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)，經(jīng)常遇到高陡邊坡問題。邊坡失穩(wěn)破壞造成的滑坡對我國的房屋、公路、鐵路、工礦、水利、電力等工程建設(shè)造成巨大損失和危害，滑坡已經(jīng)成為世界性的三大地質(zhì)災(zāi)害之一。因此，邊坡穩(wěn)定性的研究及治理被認(rèn)為是防災(zāi)減災(zāi)的一個(gè)重要課題。

鑒于FLAC3D在前處理功能上較弱，對于復(fù)雜三維地質(zhì)體模型的建立仍然十分困難。由于FLAC3D在建立模型的時(shí)候是采用鍵入數(shù)據(jù)或命令文件的方式，此外，其內(nèi)置FISH語言獨(dú)特的源代碼表示方式，對于一般工程技術(shù)人員在運(yùn)用FLAC3D建立計(jì)算模型上具有一定的難度，特別是建立較復(fù)雜的地質(zhì)模型，例如地形起伏大、具有斷層等復(fù)雜地質(zhì)體區(qū)域的模型構(gòu)建，更是一件費(fèi)時(shí)費(fèi)力的浩大工程。因此，本文利用現(xiàn)有軟件GOCAD的建模優(yōu)勢構(gòu)建FLAC3D三維模型，以彌補(bǔ)FLAC3D的前處理模塊的不足。

通過數(shù)值模擬邊坡失穩(wěn)破裂過程以及開挖與支護(hù)全過程，可以隨時(shí)掌握邊坡開挖與支護(hù)過程的應(yīng)力位移響應(yīng)動(dòng)態(tài)，克服了邊坡開挖的盲目性，為指導(dǎo)施工提供技術(shù)依據(jù)。

1 某建筑高邊坡工程概況

該建筑邊坡為巖質(zhì)順向坡，坡腳到坡頂征地紅線范圍內(nèi)的人工邊坡坡高最高為56 m，邊坡長122 m，邊坡總體走向?yàn)槟媳毕?，邊坡立面呈弧形狀展布。在坡腳平坦地區(qū)擬建三棟29層住房，坡腳距離建筑邊軸線為3～8 m，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)。擬建建筑設(shè)計(jì)±0.00標(biāo)高為1200.00 m，邊坡后緣為一山體，最高點(diǎn)高程1318.60 m。圖1所示為研究區(qū)三維地形圖，圖中展現(xiàn)了邊坡的整體外形特征，圖2為邊坡典型斷面圖，巖體為白云巖，由于巖體傾向坡外，傾角36°，小于邊坡坡角，巖層面構(gòu)成外傾不利結(jié)構(gòu)面，開挖后邊坡易沿巖層面產(chǎn)生順向滑動(dòng)。

圖1 研究區(qū)三維地形圖Fig.1 Three-dimensional topographic map of the target area

圖2 工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineering geologic profile

2 基于GOCAD的地質(zhì)體FLAC3D模型的生成方法

實(shí)現(xiàn)GOCAD模型轉(zhuǎn)為FLAC3D模型具有十分重要的作用，這可以通過編制程序來實(shí)現(xiàn)[2-3]。鑒于GOCAD中的Sgrid模型與FLAC3D中的Brick模型均為六面體單元，具有相似之處。圖3和圖4分別為Sgrid模型與Brick模型六面體單元節(jié)點(diǎn)排列圖。

圖3 Sgrid六面體節(jié)點(diǎn)排列Fig.3 Nodes arrangement ofSgrid hexahedron圖4 Brick六面體節(jié)點(diǎn)排列Fig.4 Nodes arrangement ofBrick hexahedron

將Sgrid 模型的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為ASCII 文件，數(shù)據(jù)格式如表1 所示。表中數(shù)據(jù)為3×3×3( I×J×K) 的Sgrid模型數(shù)據(jù)，其中X、Y、Z 分別為三個(gè)方向上的實(shí)際坐標(biāo)值，而I、J、K 為節(jié)點(diǎn)編號(hào)，很重要的一點(diǎn)是I、J、K確定了節(jié)點(diǎn)的空間位置，可以認(rèn)為I、J、K 分別對應(yīng)于X、Y、Z 方向。從表中可以看出，Sgrid 模型節(jié)點(diǎn)的排列次序是: 首先由最小的X、Y 坐標(biāo)開始，向X的正方向排列，再沿Y 的正方向排列，這一層的節(jié)點(diǎn)全部排列結(jié)束后，再向Z 軸正方向排列第二層、第三層的節(jié)點(diǎn)，直到所有層位的節(jié)點(diǎn)排列結(jié)束。

表1 Sgrid模型的ASCII碼文件Tab.1 ASCII file of Sgrid model

續(xù)表1

圖4為FLAC3D中的Brick單元空間排列，對應(yīng)于圖5中Sgrid模型的第一個(gè)區(qū)域(Zone)。如果確定了節(jié)點(diǎn)P0，則P1—P7的7個(gè)節(jié)點(diǎn)即可確定，假如P0→第4節(jié)點(diǎn)，則：P1→第1節(jié)點(diǎn)，P2→第5節(jié)點(diǎn)，P3→第13節(jié)點(diǎn)，P4→第2節(jié)點(diǎn)，P5→第14節(jié)點(diǎn)，P6→第10節(jié)點(diǎn)，P7→第11節(jié)點(diǎn)。以此類推，可以得到圖5中的八個(gè)六面體節(jié)點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系，表示為一組數(shù)列，如表2所示。

表2 Brick節(jié)點(diǎn)與Sgrid節(jié)點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系Tab.2 Relationship between Brick nodes and Sgrid nodes

從表2中可以得到如下規(guī)律：①同一層中的同一列數(shù)組在前一組數(shù)組基礎(chǔ)上加1；②同一層中當(dāng)換列后，該列第一組數(shù)組在前一列最后一組數(shù)列基礎(chǔ)上加2；③當(dāng)換層后，該層第一組數(shù)列在前一層最后一組數(shù)組的基礎(chǔ)上加x+2(x為X軸方向上的節(jié)點(diǎn)數(shù)，圖5-4中x=3)。以此類推，假設(shè)第一組數(shù)列{4，1，5，13，2，14，10，11}改寫為{x+1，1，x+2，x*y+x+1，2，x*y+x+2，x*y+1，x*y+2}，將其作為程序的初始值，后續(xù)的數(shù)組根據(jù)①、②、③的規(guī)律進(jìn)行編程，得到需要的轉(zhuǎn)換程序。其中x、y分別為X、Y軸方向模型所分的行數(shù)和列數(shù)，圖5中x=3，y=3。

圖5 Sgrid模型空間拓?fù)潢P(guān)系圖Fig.5 Space topological diagram of Sgrid model

3 某建筑高邊坡數(shù)值計(jì)算

3.1 某建筑高邊坡三維地質(zhì)模型的建立

選取研究區(qū)域323 m×305 m范圍進(jìn)行模型的建立，分別建立地表面、分層面及外傾結(jié)構(gòu)面等，最后建立GOCAD三維地質(zhì)實(shí)體及網(wǎng)格。利用第三節(jié)中的方法編制Sgrid to Brick程序，將GOCAD模型轉(zhuǎn)化為FLAC3D數(shù)值模型。網(wǎng)格全部采用六面體單元，共劃分為19800個(gè)節(jié)點(diǎn)和16820個(gè)六面體單元，如圖6所示。

圖6 邊坡Sgrid模型Fig.6 Sgrid model of the slope

邊界條件：模型在X軸方向的兩個(gè)側(cè)面水平向固定，在X方向位移為0；在Y方向的兩個(gè)側(cè)面施加水平向約束，在Y方向位移為0；模型底面在軸向、縱向、斷面水平向三個(gè)方向施加約束，即在X、Y、Z三個(gè)方向的位移為零。

因?yàn)樵撨吰鹿こ淌菧\表開挖，在不影響計(jì)算精度的條件下，可將自重應(yīng)力場作為初始應(yīng)力場，所以在計(jì)算中不考慮構(gòu)造應(yīng)力場的作用。同時(shí)，假定巖土體材料為彈塑性材料，選用摩爾-庫倫(Mohr-Coulomb)準(zhǔn)則來模擬邊坡巖土體的彈塑性屈服特性。

3.2 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)現(xiàn)場巖體的結(jié)構(gòu)特征，以及節(jié)理裂隙發(fā)育和節(jié)理面的實(shí)際情況，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，參考地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)規(guī)范，進(jìn)而確定場地巖體和結(jié)構(gòu)面的物理力學(xué)指標(biāo)。其中巖層層面按照硬性結(jié)構(gòu)面確定，其結(jié)合程度一般，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)及《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB50330—2013)表4.3.1，考慮在暴雨情況下巖層面浸水，故將層面參數(shù)折減取小值，同理，由于節(jié)理面有泥質(zhì)薄膜充填，按照軟弱結(jié)構(gòu)面考慮，且在雨水侵潤時(shí)抗剪強(qiáng)度降低，所以節(jié)理面參數(shù)按暴雨情況下折減取小值確定。各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)指標(biāo)和計(jì)算參數(shù)Tab.3 Physical and mechanical indexes and calculation parameters of the rock and the structural plane

3.3 邊坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬

研究區(qū)由于開采石材，山體被切割已經(jīng)形成邊坡，為順傾向巖質(zhì)邊坡，整體穩(wěn)定性計(jì)算三維模型加入了順向巖層面結(jié)構(gòu)，在FLAC3D中通過interface命令建立層面，并可賦予巖層面結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用表3相關(guān)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

3.3.1 邊坡開挖前原始應(yīng)力分布

為了模擬效果的直觀體現(xiàn)，選用邊坡高度最大的中間段20 m范圍剖面進(jìn)行具體展現(xiàn)。圖7和圖8分別示意了邊坡的原始大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分布情況，從圖中可以看出，坡體應(yīng)力的分布從坡面到坡內(nèi)可以分為三個(gè)區(qū)域，即應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力過渡區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。應(yīng)力降低區(qū)位于坡面臨空面附近，由于坡體應(yīng)力釋放，這部分應(yīng)力值小于原始地應(yīng)力值，其中，σ1=0～-0.2 MPa，從圖中還可看出，在坡面附近還出現(xiàn)了局部拉應(yīng)力區(qū)，應(yīng)力降低區(qū)是邊坡卸荷松弛的主要部位，坡體屈服帶往往發(fā)生在這個(gè)區(qū)域，是邊坡支護(hù)和治理的重要部位。應(yīng)力過渡區(qū)的地應(yīng)力隨地層的變化而逐漸增大，一般為-0.2～-0.4 MPa。原巖應(yīng)力區(qū)不受邊坡的地形影響而保持原始應(yīng)力狀態(tài)。

圖7 邊坡大主應(yīng)力分布Fig.7 The major principalstress distribution of the slope圖8 邊坡小主應(yīng)力分布Fig.8 The minor principalstress distribution of the slope

3.3.2開挖后應(yīng)力分析

開采石材后形成的邊坡坡度為65°，受征地紅線范圍和邊坡地形的影響，該建筑邊坡不具備一坡到底的緩坡放坡條件。邊坡高度為56 m，為了邊坡安全和施工便捷，邊坡可采用分臺(tái)階開挖與支護(hù)，設(shè)計(jì)分為四個(gè)臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階之間高差為14 m，臺(tái)階寬3 m，每級(jí)臺(tái)階斜坡段正好可按照1∶0.5的坡率進(jìn)行放坡，即坡度為63.44°。施工過程從上到下，每開挖一級(jí)就支護(hù)一級(jí)。因?yàn)檫吰乱呀?jīng)形成，后續(xù)的挖方量并不是很大，僅僅是開挖出臺(tái)階，并清除掉邊坡表部的松動(dòng)巖體，所以邊坡的開挖過程對邊坡的整體穩(wěn)定性影響不是主要因素，數(shù)值模擬過程考慮一次性開挖完成。

圖9與圖10所示分別是開挖后邊坡大主應(yīng)力和小主應(yīng)力分布情況，根據(jù)應(yīng)力云圖可以得出三個(gè)結(jié)論：①在邊坡坡頂后緣出現(xiàn)了拉應(yīng)力區(qū)，拉應(yīng)力值為0～0.334 MPa；②在坡面和坡腳主要受壓應(yīng)力作用，應(yīng)力值為0～0.2 MPa；③由于開挖坡腳，巖層面臨空，在層面附近出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象。由于開挖破壞了坡體的初始應(yīng)力狀態(tài)，造成應(yīng)力重分布以及應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖9 開挖后大主應(yīng)力分布Fig.9 The major principal stressdistribution after excavation圖10 開挖后小主應(yīng)力分布Fig.10 The minor principal stressdistribution after excavation

3.3.3開挖后位移分析

圖11所示為開挖后豎向位移云圖，開挖后坡體位移主要在臨空的層狀巖體中發(fā)展，坡體位移在60～84.21 mm之間，最大位移發(fā)生在坡頂后緣，這部分正好是拉應(yīng)力區(qū)。圖12所示為開挖后水平位移分布情況，位移主要也是發(fā)生在臨空的層狀巖體中，位移在70～90.78 mm之間，其中最大水平位移發(fā)生在坡腳附近。圖13所示為邊坡位移矢量分布，圖中箭頭所指方向表示坡體的位移方向，箭頭大小表示位移的相對大小，可以明顯看出，邊坡體沿著臨空的巖層面向下滑動(dòng)，最終在坡腳剪出。綜上可以得出，該邊坡的變形破壞地質(zhì)力學(xué)模式為滑移-拉裂，即巖體向臨空方向發(fā)生剪切蠕變，其后緣發(fā)育拉裂破壞。

圖11 開挖后豎向位移分布Fig.11 Displacement in verticaldirection after excavation圖12 開挖后水平位移分布Fig.12 Displacement in horizontaldirection after excavation

3.3.4塑性區(qū)與剪應(yīng)變分析

圖14所示為開挖后無支護(hù)條件下運(yùn)算10000步時(shí)塑性區(qū)分布圖，從圖中可以看出，開挖后由于坡體臨空，且受順向?qū)用娴挠绊?，在坡頂后緣首先出現(xiàn)塑性屈服帶。隨著時(shí)間的推移，塑性屈服逐漸向縱深發(fā)展，在巖層面附近首先發(fā)生剪切變形，最終可能貫通整個(gè)邊坡，形成滑動(dòng)面。對于邊坡整體穩(wěn)定性而言，根據(jù)計(jì)算模擬結(jié)果，該巖質(zhì)順向高邊坡的破壞類型為沿巖層面的平面滑動(dòng)破壞，地質(zhì)力學(xué)模式為滑移-拉裂。

圖13 位移矢量圖Fig.13 Vector diagram ofdisplacement圖14 開挖后塑性區(qū)分布Fig.14 Plastic zone distributionafter excavation

3.3.5開挖后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

對于邊坡穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)，穩(wěn)定系數(shù)取值的大小仍然是判斷邊坡產(chǎn)生變形破壞可能性大小的指標(biāo)[4]。Duncan(1996)指出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)Fs可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時(shí)，對土體材料的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度[5]，即巖土體的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)折減后剪切強(qiáng)度的比值即為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。在FLAC3D數(shù)值計(jì)算中強(qiáng)度折減法是通過對巖土體的強(qiáng)度指標(biāo)c和φ按照公式(1)進(jìn)行不斷的折減，直至邊坡達(dá)到臨界破壞時(shí)的折減系數(shù)即為穩(wěn)定系數(shù)，式中：Cf為折減后的粘聚力，φf為折減后的內(nèi)摩擦角，F(xiàn)os為折減系數(shù)。

(1)

通過FLAC3D中強(qiáng)度折減法計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.981＜1，邊坡欠穩(wěn)定，通過前面對坡體應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的分析，綜合判斷開挖后無支護(hù)條件下，邊坡具有潛在滑動(dòng)的可能，潛在滑動(dòng)面為順向巖層面。

4 結(jié)論

1)鑒于GOCAD中的Sgrid模型與FLAC3D中的Brick模型均為六面體單元，具有相似之處?？筛鶕?jù)其規(guī)律編制程序進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，從而將GOCAD地質(zhì)模型轉(zhuǎn)換為FLAC3D計(jì)算模型。

2)由于開挖坡腳，巖層面臨空，在層面附近出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象。由于開挖破壞了坡體的初始應(yīng)力狀態(tài)，造成應(yīng)力重分布以及應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3)開挖后坡體位移主要在臨空的層狀巖體中發(fā)展，坡體位移在60～84.21 mm之間，最大位移發(fā)生在坡頂后緣，這部分正好是拉應(yīng)力區(qū)。通過模擬，可以得出，邊坡的變形破壞地質(zhì)力學(xué)模式為滑移-拉裂，即巖體向臨空方向發(fā)生剪切蠕變，其后緣發(fā)育拉裂破壞。

4)通過FLAC3D中強(qiáng)度折減法計(jì)算出邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為0.981<1，邊坡欠穩(wěn)定，通過開挖后邊坡應(yīng)力、位移及塑性區(qū)的分析，綜合判斷開挖后無支護(hù)條件下，邊坡具有潛在滑動(dòng)的可能，潛在滑動(dòng)面為順向巖層面。