FLAC 3D在場地斜坡變形中的應用研究

張 新

（貴州有色地質工程勘察公司，貴州貴陽550005）

1 工程概況

2018年3月貴陽市某地塊南側進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斜裂縫，斜裂縫不斷發展，部分冠梁沿斜裂縫被剪斷；部分樁前土體出現裂縫，土體發生下沉；樁后坡體發現臺階式張拉裂縫。至9月底，樁前土體裂縫、樁后坡體裂縫不斷發展擴大，整個坡體有失穩下滑的可能。

本場地屬構造剝蝕低中山斜坡地貌；總體呈南高、北低的地形，中部相對寬緩，場地在區域上最高點位于場地南西側斜坡坡頂，高程1242.06m，最低處位于北側南明河，高程1033.4m，最大高差208.66m。

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

后側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，前側為南明河。場地斜坡項目示意圖如圖1所示。

2 場地斜坡建模概述

斜坡在天然情況下總是處在一定的應力平衡狀態，這種初始的應力狀態是由巖土體自重應力場與殘余構造應力在長期的地質作用在歷史行進過程中形成的。以前各個研究單位通常采用經驗類比和彈塑性分析兩種方法來確定場地斜坡的應力分布和變形特征。但是大型復雜工程地質條件下的場地斜坡其應力及變形特征比較復雜，而且傳統技術辦法的應用范圍和求解能力仍較為困難，無論是經驗類比還是彈塑性分折這兩個方法，都不能較好地對降雨情況與場地平整開挖施工過程進行精準的模擬分析，因此采用合適的先進的數值分析模擬技術是必不可少的。

建模是對數值模擬分析的第一手資料，模型是否客觀準確地反映現場實際工程地質條件是決定模擬成果可靠性的決定性因素。總的來說，場地斜坡的三維地質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。而在通用的數值模擬軟件中，3dσ和FLAC 3D都是根據此類思維來建模的。大量工程經驗的試驗測試證明，FLAC 3D在水文地質、工程地質、環境地質的領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925m，東西方向長2100m，范圍自六號地塊至八號地塊東側沖溝；Z軸豎直向上自高程810～1235m。

該模型的力學邊界采用兩邊側面(南北方向)、前后緣側面(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。場地斜坡為房屋修建地基，2018年曾進行場地平整開挖施工，根據上述原則建立如圖2所示的場地斜坡目前實際三維模型。

圖2 場地斜坡開挖后FLAC 3D計算模型

在FLAC 3D軟件模擬過程中，計算共劃分639321個單元和131154個節點。考慮了場地斜坡石英砂巖、泥灰巖、頁巖、堆積體等巖土層，結合實際各分區地質條件，模型巖土體物理力學參數取值見表1。

表1 斜坡巖體物理力學參數

4 場地未開挖前斜坡應力場分析

根據場地斜坡開挖前的天然應力場特征，天然條件下最大、最小主應力分布特征及主應力矢量圖，分析得出：

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

（2）最小主應力的分布區域除了受重力場因素影響外，受巖土體的界面和地貌影響較大，主要表現在場地斜坡下部近河谷巖體部位，目前無拉應力情況出現，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，同時在斜坡坡腳也有明顯的集中，最小主應力的方向在斜坡體內部一般為水平方向，而在靠近斜坡地表調整為與坡面近似于垂直。

5 場地斜坡開挖后變形特性分析

為分析場地斜坡在場地平整開挖過程的變形特征，本次計算在斜坡天然應力的條件下，對斜坡巖體在自重作用下的位移、位移速率以及塑性變形區進行了清零，在此基礎上進行開挖。由于開挖施工過程工序未知，且施工時間較短，模型中根據現在的地形采用一次性開挖完成。

根據場地斜坡開挖后天然條件下最大、最小主應力分布特征圖、變形過程主應力矢量圖、豎向位移分布特征圖，場地斜坡開挖后，斜坡變形主要發生在堆積體分布區域，且總體變形為八號地塊變形最大，其次七號地塊坡度較陡部位也有相當的變形量，而基巖分布區域基本未發生變形。從圖中可知，場地八號地塊最大變形量大到45cm，且八號地塊整體變形都較大，易發生滑動破壞。七號地塊局部變形量已達到25cm，說明在坡度較陡部位易發生局部垮塌。而六號地塊整體變形量相對較小，六號地塊區域內變形在5～12cm之間，產生滑動或垮塌的可能性較小。八號地塊主要變形方向為北東向或北東東向，而六號地塊和七號地塊場地變形方向主要為北向或北北東向（臨空面方向），其中六號地塊偏西側部位有向北西或北西西方向變形的跡象。

圖3 場地斜坡開挖后變形過程位移矢量分布特征

根據圖3場地斜坡開挖后的變形過程位移矢量分布特征圖及最大剪應變增量分布特征圖，可以較清晰地看出場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似的結果。從中可知場地西高東低，南高北低，在場地坡表開挖后，八號地塊場地反壓重量減輕，在南西側堆積體的擠壓下，產生向北東向的變形，且在整個場地范圍內變形最大，場地八號地塊出現了最大剪應變增量集中的現象，說明產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，八號地塊易產生整體滑動。八號地塊南西側靠南部位坡度較陡，在場地開挖后此區域向北或北北東方向產生了一定變形，若不加支護，可能會產生小范圍垮塌或在推擠八號地塊滑動的過程中產生滑塌。

場地七號地塊在開挖后，局部坡度較陡，碎石土較松散，故產生了向臨空方向（即北向）的變形，后期在長期風化或暴雨條件下可能產生小范圍的滑坡。六號地塊整體變形較小，主要為填方體向西或北西臨空方向的變形，此區域場地較穩定，基本不會產生大的變形或破壞，但斜坡體表層邊緣部位可能會出現掉塊的現象。

為分析各地塊在場地施工后的變形特征，在計算模型中選取代表剖面3-3′剖面結果進行分析。

圖4 場地斜坡開挖后3-3′剖面總位移分布特征

根據圖4場地斜坡開挖后3-3′剖面總位移分布特征圖、最大剪應變增量分布特征圖可以看出，八號地塊場地在開挖后整體產生了較大的變形，尤其是坡表以下20m范圍內變形較大，坡表最大變形達到45cm。八號地塊在坡表產生變形的同時，碎石土底部也產生了剪切變形，但還沒有形成貫通的剪應變增量帶，在地形陡變處和前緣還未產生較大的剪應變增量。若在極端暴雨條件、加載條件下或長期重力作用時間效應下可能會產生貫通的剪切帶，產生滑動。

圖5 場地斜坡開挖后暴雨條件下變形過程總位移分布特征

根據圖5場地斜坡開挖后暴雨條件下變形過程總位移分布特征、最大剪應變增量分布特征圖，在場地斜坡開挖后暴雨條件下，場地八號地塊的變形量劇增，最大值達到1.9m，而六號地塊和七號地塊的變形量相較于開挖后天然條件下增加不多，所受影響較小。說明極端暴雨條件下八號地塊所受影響較大，可能已經滑動破壞。而此區域的滑動將會影響八號地塊南西側抗滑樁南部堆積體的變形，可能引起抗滑樁南側堆積體產生垮塌或滑動。八號地塊在開挖后天然條件下的基礎上，大部分部位都出現了剪應變集中現象，只是不同部位集中程度不同而已，邊緣部位最大，說明此區域堆積體在暴雨條件下可能已經破壞，而不僅僅是沿著底部滑面的滑動變形，滑坡體內也存在剪切破壞。

6 結語

本文通過貴陽市某斜坡建設場地的穩定性評價，在闡述建立FLAC3D模型的關鍵步驟，確定了Flac3D在水文地質、工程地質、環境地質的領域范圍具有良好的模擬效果的前提下，開展了相關工作。建立了FLAC3D模型，通過斜坡巖體物理力學參數及大量的現場試驗工作，通過總位移分布特征及最大剪應變等綜合分析得出各相關地塊的斜坡穩定性情況與現場實際情況基本吻合。說明了該軟件在該項目得到了較好的印證，為其他相關工程提供了一定的借鑒與參照。