考慮水位面時(shí)土質(zhì)邊坡初始應(yīng)力場生成方法研究

陳志遠(yuǎn)

(山東省臨沂市羅莊區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276017)

0 引 言

無論在陸地還是海洋，涉及到土地資源利用和開發(fā)時(shí)，普遍會遇到邊坡工程穩(wěn)定性問題，在陸地上，邊坡下方都有一定的地下水位面，水位面的波動(dòng)會對邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，而處于海洋周圍的邊坡，尤其是土質(zhì)邊坡，經(jīng)常由于海浪波動(dòng)，發(fā)生崩塌破壞，影響海底環(huán)境。學(xué)者們在應(yīng)用數(shù)值分析軟件進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性模擬時(shí)，普遍會遇到有地下水存在時(shí)，初始平衡狀態(tài)的計(jì)算問題。FLAC3D軟件在流固耦合問題處理上的優(yōu)勢，得到學(xué)者們的認(rèn)可和青睞。劉懷忠等基于FISH編程開發(fā)了一種在地震作用下邊坡破壞面的搜索方法，并在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，結(jié)果證明了其開發(fā)的搜索法的正確性。潘網(wǎng)生等采用FLAC3D軟件對煤層開挖影響上方邊坡穩(wěn)定性的問題進(jìn)行了研究，對一個(gè)真實(shí)案例的滑坡進(jìn)行了機(jī)理分析和討論，并預(yù)測了未來可能法生的滑坡災(zāi)害。秦健春等研究了季節(jié)性凍土對邊坡穩(wěn)定性的影響，主要用到了FLAC3D軟件。藍(lán)航等基于FLAC3D軟件對礦山開采造成的巖體垮塌進(jìn)行了研究。韓萬東等對露天條件下的礦山邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，主要采用Spence和Bishop兩種方法結(jié)合FLAC3D進(jìn)行。Hsieh等對一個(gè)工程邊坡進(jìn)行了分析研究，得出其穩(wěn)定性特征，并提出了相應(yīng)的支護(hù)措施[1-3]。

文章在基于對FLAC3D流固耦合原理的一定認(rèn)識基礎(chǔ)之上，主要針對兩種不同水位面高程情況邊坡的初始平衡狀態(tài)下的反應(yīng)力場的生成方法進(jìn)行了研究，研究結(jié)論對采用FLAC3D軟件進(jìn)行滲流相關(guān)的包括流場的計(jì)算提供了一定指導(dǎo)和幫助。

1 FLAC3D初始水壓場設(shè)置簡介

有地下水的條件下，在FLAC3D的計(jì)算準(zhǔn)備階段，用戶需要完成兩件事情：(1)生成正確的水壓場；(2)計(jì)算至初始力學(xué)平衡狀態(tài)，獲得在有水壓條件下的初始平衡應(yīng)力場。為此，用戶需要采用兩種構(gòu)建初始水壓場的其中一種方法建立初始的水壓場，這兩種方法主要是采用‘zone gridpoint initialize porepressure’命令對水壓場直接初始化，第二種方法是采用 ‘zone water plane origin’命令指定水位面位置結(jié)合‘zone water density’命令指定水的密度一起對初始的水壓場進(jìn)行構(gòu)建，第二種方法種的兩個(gè)命令缺一不可。在完成了對初始水壓場的構(gòu)建工作后，需要對水下土體材料賦予一個(gè)密度值，水上土體材料賦予另外一個(gè)密度值，采用一定的平衡標(biāo)準(zhǔn)對模型求解至平衡態(tài)，從而獲得初始應(yīng)力平衡場，這一步是純力學(xué)計(jì)算，但是在這一步計(jì)算中，軟件卻能夠考慮到初始水壓場對平衡計(jì)算的影響，這正式FLAC3D軟件在處理流固耦合問題上的強(qiáng)大之處。

2 模型構(gòu)建

如圖1所示的所構(gòu)建的邊坡模型，坡面長20m，坡腳40°，坡頂和坡底各5m寬度，坡體前端高8m，坡體后端高20.7m，坡體底邊長25.4m，坡體向里延伸6m，以避免邊界效應(yīng)可能帶來的影響，模型整體為土質(zhì)邊坡，采用摩爾庫倫彈塑性本構(gòu)模型模擬土體的性質(zhì)，土體各項(xiàng)參數(shù)均采用真實(shí)的材料彈塑性參數(shù)，固定左右兩側(cè)和前后兩端的XY方向的位移，地面固定XY三個(gè)方向的位移，水位面主要設(shè)置成20.7m和8m高，以模擬現(xiàn)實(shí)邊坡的兩種情況：一種完全位于水下，一種一部分位于水下，另一部分位于水上。

圖1 構(gòu)建的邊坡模型

3 計(jì)算結(jié)果

以下主要分析在邊坡模型全部位于水下和部分位于水下情況下，邊坡模型初始平衡應(yīng)力場的生成方法，并指出兩種情況下，采用同一種生成方法時(shí)，應(yīng)注意的細(xì)節(jié)問題。

1)邊坡模型全部位于水下

當(dāng)邊坡模型全部位于水位面以下時(shí)，也即將水位面高程設(shè)置為20.7，與邊坡后端同高時(shí)，將邊坡土體材料的密度設(shè)置成其飽和密度，并賦予土體其他相關(guān)彈塑性材料屬性，施加邊界約束，采用zone water plane origin命令結(jié)合zone water density命令設(shè)置初始水力場，隨后采用一定的收斂準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，最終計(jì)算結(jié)果如圖2所示。當(dāng)邊坡全部位于水下時(shí)，采用力學(xué)計(jì)算求解初始平衡應(yīng)力場，此時(shí)獲得XX、YY方向初始平衡后的應(yīng)力場如圖2中(a)、(b)所示，這與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，模擬結(jié)果正確，獲得ZZ方向以及三個(gè)方向(XX、YY、ZZ)初始應(yīng)力求和后的初始平衡后的應(yīng)力場如圖2中(c)、(d)所示，這與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，模擬結(jié)果正確，在此過程中，需要將邊坡位于水下部分的材料密度設(shè)置成其相應(yīng)的飽和密度。結(jié)果表明，在邊坡模型全部位于水下情況下，采用zone water plane origin命令結(jié)合zone water density命令設(shè)置初始水力場，再通過彈塑性力學(xué)計(jì)算求解可以獲得正確的初始平衡力場。

(a)XX方向應(yīng)力 (b)YY方向應(yīng)力

2)對初始應(yīng)力進(jìn)行適當(dāng)賦值

當(dāng)邊坡模型部分位于水位面以下時(shí)，部分位于水位面以上時(shí)，也即將水位面高程設(shè)置為8m，與邊坡坡底同高時(shí)，將Z坐標(biāo)≤8m的邊坡土體材料的密度設(shè)置成其飽和密度，而Z坐標(biāo)>8m的邊坡土體材料的密度設(shè)置成其天然密度，并賦予土體其他相關(guān)彈塑性材料屬性，施加邊界約束，采用zone water plane origin命令結(jié)合zone water density命令設(shè)置初始水力場，隨后采用一定的收斂準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算，最終計(jì)算結(jié)果如圖3所示。當(dāng)邊坡只有部分位于水下時(shí)，采用力學(xué)計(jì)算求解初始平衡應(yīng)力場，此時(shí)獲得XX、YY方向初始平衡后的應(yīng)力場如圖3中(a)、(b)所示，這與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，模擬結(jié)果正確，獲得ZZ方向以及三個(gè)主方向(XX、YY、ZZ)初始應(yīng)力求和后的初始平衡應(yīng)力場如圖3中(c)、(d)所示，模擬結(jié)果同樣正確，在此過程中，需要將邊坡位于水下部分的材料密度設(shè)置成其相應(yīng)的飽和密度，而位于水上部分的材料密度設(shè)置成天然密度。結(jié)果表明，邊坡模型部分位于水位面以下情況下，采用zone water plane origin命令結(jié)合zone water density命令設(shè)置初始水力場，再通過彈塑性力學(xué)計(jì)算求解可以獲得正確的初始平衡力場。

(a)XX方向應(yīng)力 (b)YY方向應(yīng)力

5 結(jié) 論

采用zone water plane origin命令結(jié)合zone water density命令設(shè)置初始水力場后，進(jìn)行初始力學(xué)平衡計(jì)算時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：

1)當(dāng)邊坡模型部分位于水位面以下時(shí)，需要將邊坡位于水下部分的材料密度設(shè)置成其相應(yīng)的飽和密度，而位于水上部分的材料密度設(shè)置成天然密度。

2)當(dāng)邊坡模型全部位于水位面以下時(shí)，需要將邊坡全部土體材料密度設(shè)置成其相應(yīng)的飽和密度。

3)對于初始水力場的設(shè)置，文章只采用了其中的一種方法，另一種方法同樣能夠獲得理想的初始水力場，學(xué)者們在使用時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，靈活運(yùn)用。