淺談FLAC3D在邊坡動力穩定性中的應用

劉小煥，裴娜娜，韓晶晶，李 琳

(1.巴州基安巖土工程勘察設計有限責任公司，新疆庫爾勒841000;2.陜西省高速機械化工程有限公司，陜西西安710075;3.西華大學建筑與土木工程學院，四川成都610039)

邊坡受到的動力荷載主要來自地震、爆炸和機械振動等，所造成的破壞最多、最大當屬地震荷載。地震荷載可能誘發山體滑坡，導致人員傷亡。展開地震荷載作用下邊坡的地震反應、動力穩定性及工程安全性的研究，對于減小地震荷載誘發的災害，確保工程的安全，保障國家基礎設施建設，具有極其重要的經濟和社會價值。

分析邊坡穩定性問題，基本上有兩種方法:極限平衡法和數值分析方法。目前，在巖土工程中，對邊坡穩定性分析常用的數值分析方法有界面元法、拉格朗日元法、離散單元法、自適應有限元法和有限元法[1]。近年來，隨著計算機技術的飛速發展，有限差分法以其獨特的計算風格和計算流程在數值方法家族中異軍突起，FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua連續介質快速拉格朗日分析)就是巖土工程數值分析軟件的典型代表。用極限平衡法，在開始分析時估計圓形破壞線的位置是必要的，而在FLAC中則不必要，FLAC將會通過直接模擬材料性能找到破壞面和破壞機理[2]。本文利用FLAC3D軟件在邊坡工程中的應用作了一些分析。

FLAC3D是二維計算程序在三維空間的擴展，用于模擬三維土體、巖體或其他材料力學特性，尤其是達到屈服極限時的塑性流變特性，廣泛應用于邊坡穩定性評價、支護設計及評價、地下洞室、拱壩穩定分析、隧道工程、礦山工程等多個領域[3]。

1 FLAC3D動力分析

FLAC3D動力分析中考慮到結構材料的力學性質和大變形的影響，采用等效線性振動分析和非線性振動分析兩種方法。等效線性方法是根據試驗和工程類比來給定材料的阻尼比和剪切模量進而計算其動力反應，由于建模簡單而被廣泛用于地震工程學中，模擬地震波在巖土體中傳播以及巖土體與結構物間的動力相互作用。非線性動力分析則是考慮材料物理力學性質空間和時間上的非線性，模型中各個單元不同的變形破壞階段采用不同的阻尼比和剪切模量來計算動力反應。在FLAC3D的動力計算中采取非線性展動分析法，能夠真實地模擬地質體的應力－應變關系。

動力分析過程一般分為以下兩個步驟:一定地質條件下的靜力平衡計算和施加動力荷載后的動力反應分析。在第一步中，確定模型范圍、初始條件、材料類型、本構模型以及模型的填筑、開挖、襯砌等，也就是靜力作用下的平衡計算;第二步，是在第一步計算的基礎上，施加動荷載[4]。

2 工程概況及數值模型

某邊坡坡體高為40 m，水平距離35 m，坡頂高程為100 m，其簡化模型尺寸如圖1所示，上部為巖體，下部為基巖，其物理力學參數如表1所示。

圖1 某邊坡的簡化模型(單位:m)

表1 物理力學參數

該邊坡上部采用彈塑性材料，下部采用彈性材料，屈服準則采用Mohr－Coulomb強度準則。由于所選取的邊坡計算范圍較大，可忽略圣維南效應對邊坡穩定性分析的影響。且因邊坡的變形和破壞主要發生在坡體的淺部，構造應力在長期的地質過程中已經消失殆盡，因此模型邊界不考慮構造應力的作用，只考慮自重應力作用。計算模型所采用的位移邊界條件:基底采用剛性邊界，同時約束水平方向、豎直方向的位移;左右邊界采用水平約束，約束水平方向的位移，只允許豎向沉降;地表邊界為自由邊界[5]。動力計算是在靜力計算的基礎上進行的，就是在模型底部施加動力荷載(本文即為地震波)，模型的網格劃分及動力邊界見圖2和圖3。模擬時采用的地震加速度時程是由某地震局提供的地震主震數據，為了減少數值模擬計算的時間，只取用幅值較大的前10 s波段作為輸入波，圖4為其加速度時程曲線。

圖2 邊坡網格劃分

圖3 模型的動力邊界

圖4 加速度時程曲線

3 模擬結果分析

3.1 天然狀態下模擬分析

天然狀態下滑坡是否穩定主要取決于最大不平衡力是否收斂，從圖5可以看到，最大不平衡力基本上是收斂的，而從圖6剪應變分布圖可以看出，未出現剪應變集中現象，剪應變主要集中在1×10－15～0，由此可知，天然狀態下邊坡處于穩定狀態。

3.2 地震作用下模擬分析

首先是地震波沿X方向傳播的模擬分析，即垂直于坡面方向傳播。從圖7可以看到，坡體已經出現了明顯的剪應變集中帶，最大剪應變值達到3.24×10－2，邊坡處于失穩狀態;再看圖8水平位移方向殘余位移云圖:坡體已出現整體性位移，最大值出現在接近坡腳處，其值達到了－1.31 m，說明在此方向的地震動荷載作用下坡體已經發生大體積滑坡。

圖5 天然狀態下最大不平衡力

圖6 天然狀態下剪應變增量分布云圖

圖7 X方向地震波作用下剪應變增量云圖

圖8 X方向地震波作用下水平方向殘余位移云圖

其次是地震波沿Y方向傳播的模擬分析，即平行于坡面方向傳播。從圖9可以看到，坡體出現了明顯的剪應變集中帶，最大剪應變值達到9.41×10－3，邊坡處于失穩狀態;再看圖10水平位移方向殘余位移云圖:坡體已出現整體性位移，最大值出現在接近坡腳處，其值達到了－0.47 m，說明在此方向的地震動荷載作用下坡體已經發生滑坡。

圖9 Y方向地震波作用下剪應變增量云圖

圖10 Y方向地震波作用下水平方向殘余位移云圖

當地震波沿垂直方向傳播，即垂直于邊坡底部傳播。從圖11知，坡體已經出現了剪應變集中帶，最大剪應變出現在臨近坡腳和坡頂處，其值達到1.49×10－2，邊坡沿此剪切帶將失穩;水平位移方向殘余位移云圖12:坡體出現局部位移，最大位移值出現在坡體中部，最大值達到－0.59 m，表明在此方向的地震動荷載作用下坡體發生局部滑坡。

圖11 垂直方向地震波作用下剪應變增量云圖

圖12 垂直方向地震波作用下水平方向殘余位移云圖

最后是地震波沿三個方向共同傳播的模擬分析，從圖13可以看到，坡體已經出現了明顯的剪應變集中帶，最大剪應變值達到3.64×10－2，邊坡處于失穩狀態;再看圖14水平位移方向殘余位移云圖:坡體已出現局部位移，最大值出現在接近坡腳和坡頂處，其值達到了－0.91 m，說明在地震動荷載作用下坡體已經發生局部滑坡。

圖13 三個方向地震波共同作用下剪應變增量云圖

圖14 三個方向地震波共同作用下水平方向殘余位移云圖

4 結束語

結合巖質邊坡工程實例，總結了巖質邊坡動力穩定性分析的研究成果。目前，雖然巖質邊坡動力穩定性分析的研究已經取得了較大進展，但是由于問題本身的復雜性，這些理論和方法還遠不能滿足工程實際的需要，還需要在理論分析、數值模擬、模型試驗和工程經驗總結等方面開展更為深入的研究，為工程實際提供理論和技術支持。

[1]賴永標，胡仁喜，黃書珍.ANSYS11.0土木工程有限元分析典型范例[M].北京:電子工業出版社，2007:173－174

[2]王鐵行，廖紅建.巖土工程數值分析[M].北京:機械工業出版社，2009:86－131

[3]彭文斌.FLAC3D實用教程[M].北京:機械工業出版社，2008:1－3

[4]張友鋒，袁海平.FLAC3D在地震邊坡穩定性分析中的應用[J].江西理工大學學報，2008，29(5):23－26

[5]周中.土石混合體滑坡的流－固耦合特性及其預測預報研究[D].中南大學，2006