FLAC 3D在場(chǎng)地斜坡變形中的應(yīng)用研究

張 新

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州貴陽(yáng)550005）

1 工程概況

2018年3月貴陽(yáng)市某地塊南側(cè)進(jìn)行市政道路邊坡的抗滑樁支擋及平基施工，施工至7月初，已完成的抗滑樁頂冠梁出現(xiàn)斜裂縫，斜裂縫不斷發(fā)展，部分冠梁沿斜裂縫被剪斷；部分樁前土體出現(xiàn)裂縫，土體發(fā)生下沉；樁后坡體發(fā)現(xiàn)臺(tái)階式張拉裂縫。至9月底，樁前土體裂縫、樁后坡體裂縫不斷發(fā)展擴(kuò)大，整個(gè)坡體有失穩(wěn)下滑的可能。

本場(chǎng)地屬構(gòu)造剝蝕低中山斜坡地貌；總體呈南高、北低的地形，中部相對(duì)寬緩，場(chǎng)地在區(qū)域上最高點(diǎn)位于場(chǎng)地南西側(cè)斜坡坡頂，高程1242.06m，最低處位于北側(cè)南明河，高程1033.4m，最大高差208.66m。

場(chǎng)地所在區(qū)域呈后陡前緩的地形，靠后側(cè)斜坡山脊走向70°左右，坡度平均36°，高程分布為1034～1205m，越靠近坡頂，坡度越陡，后側(cè)斜坡中上部坡度40°～44°，山脊線(xiàn)另一側(cè)坡度較緩，一般坡度在20°左右，靠近東側(cè)（8號(hào)地塊）坡頂為一平臺(tái)。

后側(cè)斜坡與中部寬緩地帶在原始地形上有一沖溝分隔，中前部坡度20°左右，前側(cè)為南明河。場(chǎng)地斜坡項(xiàng)目示意圖如圖1所示。

2 場(chǎng)地斜坡建模概述

斜坡在天然情況下總是處在一定的應(yīng)力平衡狀態(tài)，這種初始的應(yīng)力狀態(tài)是由巖土體自重應(yīng)力場(chǎng)與殘余構(gòu)造應(yīng)力在長(zhǎng)期的地質(zhì)作用在歷史行進(jìn)過(guò)程中形成的。以前各個(gè)研究單位通常采用經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比和彈塑性分析兩種方法來(lái)確定場(chǎng)地斜坡的應(yīng)力分布和變形特征。但是大型復(fù)雜工程地質(zhì)條件下的場(chǎng)地斜坡其應(yīng)力及變形特征比較復(fù)雜，而且傳統(tǒng)技術(shù)辦法的應(yīng)用范圍和求解能力仍較為困難，無(wú)論是經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比還是彈塑性分折這兩個(gè)方法，都不能較好地對(duì)降雨情況與場(chǎng)地平整開(kāi)挖施工過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)的模擬分析，因此采用合適的先進(jìn)的數(shù)值分析模擬技術(shù)是必不可少的。

建模是對(duì)數(shù)值模擬分析的第一手資料，模型是否客觀(guān)準(zhǔn)確地反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程地質(zhì)條件是決定模擬成果可靠性的決定性因素?？偟膩?lái)說(shuō)，場(chǎng)地斜坡的三維地質(zhì)建模主要有兩種方法，第一是以堆砌法為主，第二是以塊體切割為主。而在通用的數(shù)值模擬軟件中，3dσ和FLAC 3D都是根據(jù)此類(lèi)思維來(lái)建模的。大量工程經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)測(cè)試證明，F(xiàn)LAC 3D在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的領(lǐng)域范圍具有良好的模擬效果。

3 模型的建立

模型南北方向長(zhǎng)925m，東西方向長(zhǎng)2100m，范圍自六號(hào)地塊至八號(hào)地塊東側(cè)沖溝；Z軸豎直向上自高程810～1235m。

該模型的力學(xué)邊界采用兩邊側(cè)面(南北方向)、前后緣側(cè)面(東西方向)水平約束，底面(Z方向)垂直方向約束，地表為自由面。東方向基本上與河流流向平行，北方向基本上與河流流向垂直。場(chǎng)地斜坡為房屋修建地基，2018年曾進(jìn)行場(chǎng)地平整開(kāi)挖施工，根據(jù)上述原則建立如圖2所示的場(chǎng)地斜坡目前實(shí)際三維模型。

圖2 場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后FLAC 3D計(jì)算模型

在FLAC 3D軟件模擬過(guò)程中，計(jì)算共劃分639321個(gè)單元和131154個(gè)節(jié)點(diǎn)。考慮了場(chǎng)地斜坡石英砂巖、泥灰?guī)r、頁(yè)巖、堆積體等巖土層，結(jié)合實(shí)際各分區(qū)地質(zhì)條件，模型巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1。

表1 斜坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

4 場(chǎng)地未開(kāi)挖前斜坡應(yīng)力場(chǎng)分析

根據(jù)場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖前的天然應(yīng)力場(chǎng)特征，天然條件下最大、最小主應(yīng)力分布特征及主應(yīng)力矢量圖，分析得出：

（1）天然條件下，斜坡內(nèi)應(yīng)力量值總的來(lái)說(shuō)與基巖埋深呈正比，分布較均勻，最大主應(yīng)力局部由于巖石性狀等差異和地貌影響存在應(yīng)力水平相對(duì)較低或較高的情況，無(wú)拉應(yīng)力情況出現(xiàn)，堆積體區(qū)域由于容重低，孔隙多，應(yīng)力值較低，最大主應(yīng)力方向在斜坡內(nèi)部基本與巖土體重力方向一致，在靠近斜坡地表部位調(diào)整為與坡面近似于平行。

（2）最小主應(yīng)力的分布區(qū)域除了受重力場(chǎng)因素影響外，受巖土體的界面和地貌影響較大，主要表現(xiàn)在場(chǎng)地斜坡下部近河谷巖體部位，目前無(wú)拉應(yīng)力情況出現(xiàn)，而且在斜坡堆積體與正常巖體分界部位有明顯的集中表現(xiàn)，同時(shí)在斜坡坡腳也有明顯的集中，最小主應(yīng)力的方向在斜坡體內(nèi)部一般為水平方向，而在靠近斜坡地表調(diào)整為與坡面近似于垂直。

5 場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后變形特性分析

為分析場(chǎng)地斜坡在場(chǎng)地平整開(kāi)挖過(guò)程的變形特征，本次計(jì)算在斜坡天然應(yīng)力的條件下，對(duì)斜坡巖體在自重作用下的位移、位移速率以及塑性變形區(qū)進(jìn)行了清零，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)挖。由于開(kāi)挖施工過(guò)程工序未知，且施工時(shí)間較短，模型中根據(jù)現(xiàn)在的地形采用一次性開(kāi)挖完成。

根據(jù)場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后天然條件下最大、最小主應(yīng)力分布特征圖、變形過(guò)程主應(yīng)力矢量圖、豎向位移分布特征圖，場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后，斜坡變形主要發(fā)生在堆積體分布區(qū)域，且總體變形為八號(hào)地塊變形最大，其次七號(hào)地塊坡度較陡部位也有相當(dāng)?shù)淖冃瘟?，而基巖分布區(qū)域基本未發(fā)生變形。從圖中可知，場(chǎng)地八號(hào)地塊最大變形量大到45cm，且八號(hào)地塊整體變形都較大，易發(fā)生滑動(dòng)破壞。七號(hào)地塊局部變形量已達(dá)到25cm，說(shuō)明在坡度較陡部位易發(fā)生局部垮塌。而六號(hào)地塊整體變形量相對(duì)較小，六號(hào)地塊區(qū)域內(nèi)變形在5～12cm之間，產(chǎn)生滑動(dòng)或垮塌的可能性較小。八號(hào)地塊主要變形方向?yàn)楸睎|向或北東東向，而六號(hào)地塊和七號(hào)地塊場(chǎng)地變形方向主要為北向或北北東向（臨空面方向），其中六號(hào)地塊偏西側(cè)部位有向北西或北西西方向變形的跡象。

圖3 場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后變形過(guò)程位移矢量分布特征

根據(jù)圖3場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后的變形過(guò)程位移矢量分布特征圖及最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植继卣鲌D，可以較清晰地看出場(chǎng)地斜坡各部位的變形大小和變形方向，從圖中可得出與各方向變形分量云圖類(lèi)似的結(jié)果。從中可知場(chǎng)地西高東低，南高北低，在場(chǎng)地坡表開(kāi)挖后，八號(hào)地塊場(chǎng)地反壓重量減輕，在南西側(cè)堆積體的擠壓下，產(chǎn)生向北東向的變形，且在整個(gè)場(chǎng)地范圍內(nèi)變形最大，場(chǎng)地八號(hào)地塊出現(xiàn)了最大剪應(yīng)變?cè)隽考械默F(xiàn)象，說(shuō)明產(chǎn)生了較大的剪切變形，若后期在地表加載或遇極端天氣條件下，八號(hào)地塊易產(chǎn)生整體滑動(dòng)。八號(hào)地塊南西側(cè)靠南部位坡度較陡，在場(chǎng)地開(kāi)挖后此區(qū)域向北或北北東方向產(chǎn)生了一定變形，若不加支護(hù)，可能會(huì)產(chǎn)生小范圍垮塌或在推擠八號(hào)地塊滑動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生滑塌。

場(chǎng)地七號(hào)地塊在開(kāi)挖后，局部坡度較陡，碎石土較松散，故產(chǎn)生了向臨空方向（即北向）的變形，后期在長(zhǎng)期風(fēng)化或暴雨條件下可能產(chǎn)生小范圍的滑坡。六號(hào)地塊整體變形較小，主要為填方體向西或北西臨空方向的變形，此區(qū)域場(chǎng)地較穩(wěn)定，基本不會(huì)產(chǎn)生大的變形或破壞，但斜坡體表層邊緣部位可能會(huì)出現(xiàn)掉塊的現(xiàn)象。

為分析各地塊在場(chǎng)地施工后的變形特征，在計(jì)算模型中選取代表剖面3-3′剖面結(jié)果進(jìn)行分析。

圖4 場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后3-3′剖面總位移分布特征

根據(jù)圖4場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后3-3′剖面總位移分布特征圖、最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植继卣鲌D可以看出，八號(hào)地塊場(chǎng)地在開(kāi)挖后整體產(chǎn)生了較大的變形，尤其是坡表以下20m范圍內(nèi)變形較大，坡表最大變形達(dá)到45cm。八號(hào)地塊在坡表產(chǎn)生變形的同時(shí)，碎石土底部也產(chǎn)生了剪切變形，但還沒(méi)有形成貫通的剪應(yīng)變?cè)隽繋В诘匦味缸兲幒颓熬夁€未產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變?cè)隽?。若在極端暴雨條件、加載條件下或長(zhǎng)期重力作用時(shí)間效應(yīng)下可能會(huì)產(chǎn)生貫通的剪切帶，產(chǎn)生滑動(dòng)。

圖5 場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后暴雨條件下變形過(guò)程總位移分布特征

根據(jù)圖5場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后暴雨條件下變形過(guò)程總位移分布特征、最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植继卣鲌D，在場(chǎng)地斜坡開(kāi)挖后暴雨條件下，場(chǎng)地八號(hào)地塊的變形量劇增，最大值達(dá)到1.9m，而六號(hào)地塊和七號(hào)地塊的變形量相較于開(kāi)挖后天然條件下增加不多，所受影響較小。說(shuō)明極端暴雨條件下八號(hào)地塊所受影響較大，可能已經(jīng)滑動(dòng)破壞。而此區(qū)域的滑動(dòng)將會(huì)影響八號(hào)地塊南西側(cè)抗滑樁南部堆積體的變形，可能引起抗滑樁南側(cè)堆積體產(chǎn)生垮塌或滑動(dòng)。八號(hào)地塊在開(kāi)挖后天然條件下的基礎(chǔ)上，大部分部位都出現(xiàn)了剪應(yīng)變集中現(xiàn)象，只是不同部位集中程度不同而已，邊緣部位最大，說(shuō)明此區(qū)域堆積體在暴雨條件下可能已經(jīng)破壞，而不僅僅是沿著底部滑面的滑動(dòng)變形，滑坡體內(nèi)也存在剪切破壞。

6 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)貴陽(yáng)市某斜坡建設(shè)場(chǎng)地的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)，在闡述建立FLAC3D模型的關(guān)鍵步驟，確定了Flac3D在水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的領(lǐng)域范圍具有良好的模擬效果的前提下，開(kāi)展了相關(guān)工作。建立了FLAC3D模型，通過(guò)斜坡巖體物理力學(xué)參數(shù)及大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，通過(guò)總位移分布特征及最大剪應(yīng)變等綜合分析得出各相關(guān)地塊的斜坡穩(wěn)定性情況與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況基本吻合。說(shuō)明了該軟件在該項(xiàng)目得到了較好的印證，為其他相關(guān)工程提供了一定的借鑒與參照。