FLAC2D數值模擬技術在路堤堆載工程中的應用

摘要:對路堤堆載工程中路堤與地基結合部(即坡角)容易發生塌陷、滑坡等不穩定現象的原因進行了認真的剖析，并利用FLAC2D數值分析技術對路堤堆載工程中路堤發生的應力、應變及位移進行了詳細分析，同時繪制出了路堤堆載前后路堤的豎向應力云圖、水平位移云圖、最大不平衡力變化曲線圖、表層沉降曲線圖。通過數值模擬我們發現了引起路堤滑坡的癥結所在，提出了安全防范措施，確保了安全生產。

關鍵詞:路堤堆載;FLAC2D;安全防范措施

中圖分類號:TU

文獻標識碼:A

文章編號:1672-3198(2010)13-0344-02

1 FLAC數值模擬技術具有以下優點

1.1 命令驅動模式

FLAC/FLAC3D有兩種輸入模式:

(1)人機交互模式，即從鍵盤輸入各種命令控制軟件的運行;

(2)命令驅動模式，即寫成命令流文件，由文件來控制軟件的運行。其中，命令驅動模式為FLAC/FLAC3D的主要輸入模式，盡管這種驅動方式對于簡單問題的分析過于繁雜，但對于那些從事大型復雜工程問題的分析而言，因涉及多次參數修改、命令調試，這種方式無疑是最有效、最經濟的。

1.2 專一性

FLAC/FLAC3D專為巖土工程力學而分析開發，內置豐富的彈、塑性材料本構模型(其中FLAC內置11個，FLAC3D內置12個)，有靜力、動力、蠕變、滲流、溫度5種計算模式，各種模式間可以相互耦合，以模擬各種復雜的工程力學行為。

FLAC/FLAC3D可以模擬多種結構形式，如巖體、土體或其他材料實體——梁、錨元、樁、殼以及人工結構，如支護、襯砌、錨索、巖栓、土工織物、摩擦樁、板樁等。通過設置界面單元，可以模擬節理、斷層或虛擬的物理邊界等。

借助其強大的繪圖功能，用戶能繪制各種圖形和表格。用戶可以通過繪制計算時步函數關系曲線來分析、判斷體系何時達到平衡與破壞狀態，并在瞬時計算或動態計算中進行量化監控，從而通過圖形直觀地進行各種分析。

1.3 開放性

FLAC/FLAC3D幾乎是一個全開放的系統，為用戶提供了廣闊的研究平臺。通過其獨特的命令驅動模式，用戶幾乎參與了從網格模型的建立、邊界條件的設置、參數的調試到計算結果的輸出等全部求解過程，自然能深刻地理解分析的實現過程。

利用其內置的程序語言FISH，用戶可以定義新的變量或函數，以適應特殊分析的需要。利用FISH，用戶可以設計自己的材料本構模型;用戶可以在數值試驗中進行伺服控制;可以指定特殊的邊界條件;自動進行參數分析;可以獲得計算過程中節點、單元的參數，如坐標、位移、速度、材料參數、應力、應變和不平衡力等。

2 問題的提出

路堤堆載工程是一種常見的巖土工程項目，例如在高速公路建設、鐵路建設等工程中都少不了路堤堆載工程。在路堤堆載工程中，路堤與地基的結合部由于受到巖土自重、以及路堤上部物體的壓力等因素的影響往往是最薄弱的環節，容易出現塌陷、滑坡等不穩定現象，嚴重地制約了安全生產。那么怎樣確保路堤與地基的結合部在外力作用下不出現塌陷、滑坡等不穩定現象呢?為此我們需要對路堤與地基的結合部在外力作用下其應力應變關系進行科學分析，并根據分析結果采取必要的安全措施，確保安全生產。

路堤與地基的結合部實際上是一個邊坡，因此在邊坡穩定性分析中常用的極限平衡法也適用于路堤邊坡的穩定性分析。人們通常比較傾向于使用極限平衡法中的Bshop法和Sarma法來進行邊坡的穩定性分析。隨著計算機技術的飛速發展新的巖土工程分析軟件不斷問世，為實時分析巖土邊坡的應力、應變關系提供了科學的、高效的手段。FLAC/FLAC3D軟件就是在這種背景下應運而生的。這里我們著重運用FLAC2D數值模擬技術來對路堤邊坡的穩定性進行科學分析，以便于指導安全生產。

3 FLAC2D數值模擬技術的具體應用

包頭市某正在建設的高速公路路堤堆載工程如圖(1)所示，地基土分為兩層，厚度為20m，上部為粘土層，厚度為8m，下部為砂土層，厚度為12m，具體的土層參數如表(1)所示。路堤填筑高度為4m，分兩次進行填筑。據此我們運用FLAC2D數值模擬技術來分析路堤填筑后邊坡的應力、應變關系以及位移狀態。

巖土名稱土體密度ρ(Kg/m3)彈性模量E(Mpa)泊松比μ內聚力 c(Kpa)內摩擦角Ф(°)

填土層185070.351010

粘土層170050.35510

砂土層1900160.35025

3.1 建立邊界模型

由圖(1)可以看出，由于路堤斷面具有豎直方向的對稱性，因此可以考慮選擇對稱的一半斷面進行建模計算，如圖(2)所示，以便減少網格數量，提高計算效率。考慮到模型邊界的影響，將底部尺寸設置為路堤底部寬度的4倍，即取64m.。觀察圖(2)中的模型，可以發現模型具有明顯的分塊性，可以采用Block建模思路，將模型按照水平方向分為兩塊，豎直方向分為3塊，這樣可以建立其基本模型。在此基礎上，刪除塊(2)的網格，并對塊(1)的網格進行修改，形成一定的坡度就能得到需要的模型了。

FLAC在建立模型之前首先要確定網格的數量。由于本工程主要考慮路堤堆載產生的影響，因此在確定網格數量時要考慮路堤附近區域網格具有較大的密度，而較遠的區域如塊(6)偏右的區域，可以利用漸變網格的辦法設置較少的網格，本工程中各邊的網格數量共劃分20*11=220個網格。

3.2 邊界條件

在該工程中的邊界較為簡單，模型底部采用兩個方向的固定邊界，模型兩側采用水平方向的固定邊界進行固定即可。

3.3 初始應力計算

在進行路堤堆載計算前，必須進行地基初始應力計算。

3.3.1 地基初始應力計算

首先“挖”掉路堤部分的網格，然后設置重力，一般情況下采用默認的重力大小和方向，其次進行求解，最后查看初始應力計算結果。我們分別建立了標簽為syy的豎向應力云圖和標簽為ydisp的豎向節點位移云圖如圖(3)和圖(4)所示，用來觀察初始應力的計算結果。從syy豎向應力云圖上可以看出，模型的豎向應力沿高度均勻分布，模型表層的豎向應力基本為0，而隨著深度的增加，豎向應力的數值(絕對值)逐漸增大，且為負(壓為負)。這個計算結果與實際應力狀態的基本規律相符，所以本工程中初始應力計算比較合理。

與此同時我們可以通過快速繪圖命令繪出計算中不平衡力的變化曲線圖如圖(5)所示。

在本工程中采用的計算方法是彈性模型方法，這種獲得初始應力的方法計算過程分兩步:

(1)按照彈性參數進行計算(將塑性模型的強度參數c值和tension值取得無窮大)，達到平衡狀態;

(2)再將材料的屬性設置為真實的彈塑性參數，進行第二次計算達到平衡。

所以我們由圖(5)可以看到生成的不平衡力曲線在計算過程的中間時步又出現了一次不平衡力的突變。這種采用彈性模型求解初始應力的方法比較方便，但是有一個前提條件，就是所有的參與計算的網格均為Mohr材料。

3.3.2 路堤堆載應力計算

初始應力計算完成后，將計算結果保存好，然后開始路堤堆載的模擬和應力計算，這里我們只需嚴格按FLAC2D軟件中的命令進行操作即可計算出路堤堆載后的應力結果及節點的位移和速度的變化。

3.4 后處理

后處理的內容包括顯示加載后土體的水平位移、沉降、應力等的變化。

首先我們分別建立路堤堆載后標簽為syy的豎向應力云圖和標簽為ydisp的豎向節點位移云圖如圖(6)和圖(7)所示，從圖上我們可以清楚地看到土體的豎向應力和沉降分布情況;然后我們再建立路堤堆載后標簽為xdisp的水平位移云圖如圖(8)所示，從圖上可以看出，水平位移主要發生在坡角以下一定深度處，最大水平位移為7m，這就為我們防范路堤滑坡提供了科學依據;最后我們建立表層沉降曲線圖如圖(9)所示，由圖上可以看出，堆載作用使堆載區域的地基產生了沉降，而路堤坡腳以外的地表出現了一定的沉陷變形，并隨著離開坡腳的距離的增加而逐漸減少。

參考文獻

[1]陳育民等.FLAC/FLAC3D基礎與工程實例[J].中國水利水電出版社，2007，(1).

[2]劉波，韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社，2005.