基于FLAC3D的土質邊坡穩定性分析

付 雪，石 磊，林建國，繆云騰

(甘肅省地質礦產開發局第一地質礦產勘查院，甘肅 天水 741020)

數值方法進行邊坡的應力分析始于上個世紀60年代，其常用的數值模擬方法有：有限元法、有限元差分法、邊界元法等。自上世紀70年代以來，有限元法已經廣泛使用在土體的動力變化分析中[1]。拉格朗日元在邊坡變形問題中普遍被采用[2]，美國Itasca公司推出的FLAC3D也被運用于邊坡動力變化分析中[3]。本文采用FLAC3D對某土質邊坡穩定性進行模擬，將模擬結果與已發生變形對比，分析其變形特征及發展趨勢。

1 邊坡基本概況

該土質邊坡為人工削坡而成(圖1)，平面形態呈“梯形”，坡頂寬52.5 m、底寬81.4 m，西側坡高29～38 m、東側38～40 m；剖面形態呈“折線形”，坡度46°～54°，呈下陡上緩的特點。

圖1 土質邊坡區域地理圖

邊坡出露的地層主要有第四系上更新統風積黃土、粉質粘土及沖洪積礫卵石。

1)第四系上更新統風積黃土：分布于斜坡上部，海拔1 543～1 545 m，厚度12～28 m。主要為粉土，淺黃色，質地均一，土體結構疏松，具大孔隙，垂直節理發育，具較強濕陷性。

2)粉質粘土：分布于斜坡中部，海拔1 515～1 518 m之間，厚度3～4 m。主要為黃土狀土，夾薄層細砂層，具水平層理，較密實，干燥狀態下較為堅硬，具弱濕陷性。

3)沖洪積礫卵石層：分布于斜坡下部，出露厚度>10m。灰—青灰色，次棱角狀，分選性較好。粒徑2～5 cm的占35%，5～8 cm的占25%，8 cm以上的占20%，可見最大粒徑46 cm；泥砂充填物占20%，密實、干燥—稍濕。

2 計算模型建立

對同一地層中巖土體的性質作均一化假設，本次數值模擬計算采用FLAC3D軟件進行。根據土工試驗結果，確定本次計算邊坡土體物理力學參數見表1。

表1 邊坡土體物理力學參數

本次計算選取邊坡中部的兩個典型剖面進行計算(圖2、圖3)，從而分析該邊坡整體的動力變化[4]。

圖2 ①號剖面圖 圖3 ②號剖面

模型1(圖4)長×寬×高=40.5×1.0×42.6 m，模型2(圖5)長×寬×高=41.2×1.0×42.6 m；計算條件為天然工況，本構模型采用Mohr-Coulomb模型，初始應力場按自重應力場考慮，計算收斂準則為不平衡力比率滿足10-5的求解要求，計算時步上限為30 000 steps。模型的邊界條件為底部固定約束，側面及后面限制水平移動，頂面為自由面，采用三角形網格對模型進行網格劃分，模型1劃分后共有9 016個單元，2 636個節點，模型2劃分后共有6 883個單元，2 213個節點。

圖4 ①號剖面區域建模圖 圖5 ②號剖面區域建模圖

3 計算方案與模擬結果

為了更好的分析計算過程中邊坡的變形破壞特征，沿坡面分別設置8處監測點，用于監測該點處的位移狀況。采用flac3d求解安全系數法(強度折減法)進行數值計算[5]，經分析計算結果，天然工況下剖面1安全系數1.13、剖面2安全系數為1.22。

由剪應變增量云圖可知，剖面1存在一潛在滑動面，從坡腳一直延伸到坡頂，尤其是坡腳處剪應變增量值相對最大，說明該段邊坡的失穩最先是從坡腳處的剪切破壞開始的，剖面2與剖面1則相反，坡頂的剪應變增量值相對最大，最先失穩的是從坡頂開始。

通過FLAC3D計算土質邊坡的剪應力變化，初步了解邊坡變形的初始部位，進而模擬兩處斜坡段的塑性變量(見圖8、圖9)。

圖6 模型1剪應變增量云圖 圖7 模型2剪應變增量云圖

圖8 模型1塑性區圖 圖9 模型2塑性區圖

由圖8、圖9可知，在折減系數達到1.13、1.22時，邊坡恰好處于極限平衡狀態，坡體內部塑性區從坡頂到坡腳完全貫通，形成完整的滑動面，邊坡開始發生滑動破壞，此時，各個監測點處的x方向位移均呈先快速增大后逐漸趨于穩定的變化特征，且整體變形量也較小，說明邊坡處于相對穩定狀態，沒有發生失穩破壞，這和數值計算得到的邊坡安全系數為1.13、1.22一致。

4 結語

(1)在自然工況下，模型1坡腳處的位移遠大于坡體內部的位移，坡腳最先發生變形，且變形量也較大；模型2坡體上部的位移遠遠大于坡體其它部分，這與邊坡的失穩破壞機制是一致的。

(2)在實際調查中，剖面1沒有發生明顯的滑動；剖面2左側，發生黃土淺層滑坡，滑體中部厚3～5 m，根據滑坡的運動形式為推移式[6]，坡體上部先發生變形推動下部滑動，這與模型2模擬該段邊坡的失穩最先是從坡頂處的剪切破壞開始一致。

(3)本次模擬重點在分析土質邊坡在自然工況下的穩定性，選取的2個剖面坡度為45.5°、47.6°，在模擬計算穩定性為1.13、1.22，其結果是在不考慮人為及其它因素影響的情況下，土質邊坡基本穩定，但在實際調查過程中，剖面2左側發生淺層黃土滑坡，說明在模擬計算結果趨于大。綜合人為，為使土質邊坡在自然條件下穩定，邊坡坡度應<45°。