基于FLAC3D的堆積體斜坡開挖變形響應(yīng)研究

周 桃，應(yīng)智超

（貴州有色地質(zhì)工程勘察公司，貴州貴陽(yáng)550002）

斜坡變形破壞是貴州地區(qū)頻發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害，長(zhǎng)期以來(lái)制約著貴州省經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全和工程建設(shè)活動(dòng)[1]。對(duì)于堆積體斜坡，明確其演化規(guī)律和變形破壞機(jī)理對(duì)防災(zāi)減災(zāi)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)評(píng)估具有重要的意義。鄧華鋒等人認(rèn)為對(duì)于某個(gè)具體斜坡堆積體的成因而言，大多表現(xiàn)為多期次、多種作用的復(fù)合特征[2-4]。目前，已有許多學(xué)者使用數(shù)值模擬軟件做過(guò)相關(guān)研究，并結(jié)合工程地質(zhì)條件分析，對(duì)滑坡的變形破壞機(jī)制進(jìn)行了深入探討[5-6]。本文在概化斜坡工程地質(zhì)條件、綜合分析巖土體結(jié)構(gòu)特性的基礎(chǔ)上，采用連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析方法(FLAC3D)，通過(guò)三維數(shù)值方法，模擬了斜坡在施工開挖后的應(yīng)力場(chǎng)和變形場(chǎng)，并分析施工后降雨過(guò)程中的應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)的演變過(guò)程，進(jìn)而通過(guò)彈塑性破壞準(zhǔn)則，對(duì)斜坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

1 工程概況

貴陽(yáng)茶山溝斜坡位于貴陽(yáng)市南明區(qū)紅巖地塊，北側(cè)緊鄰南明河。場(chǎng)地屬構(gòu)造剝蝕低中山河谷地貌。總體呈南高、北低的地形，中部相對(duì)寬緩，最大高差208.66m。區(qū)內(nèi)出露的松散覆蓋層主要為第四系殘坡積地層（Q4el+dl）、老滑坡堆積層（Q4el）。基巖地層主要包括：泥盆系蟒山群（DMs）、志留系高寨田群（SGz）。高寨田群可分為上亞群和下亞群6段，進(jìn)一步細(xì)分為10組巖性地層。場(chǎng)區(qū)地下水按賦存狀態(tài)分為基巖裂隙水和松散巖類孔隙水兩種類型。

2 模型的建立

模型南北方向長(zhǎng)925m，東西方向長(zhǎng)2100m，Z軸豎直向上自高程810m到1235m，共劃分639321個(gè)單元和131154個(gè)節(jié)點(diǎn)。

該模型的力學(xué)邊界采用兩邊側(cè)面(南北方向)、前后緣側(cè)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。場(chǎng)地斜坡為房屋修建地基，2018年曾進(jìn)行場(chǎng)地平整開挖施工，根據(jù)上述原則建立如圖1所示的場(chǎng)地斜坡三維模型。

圖1 場(chǎng)地斜坡開挖后FLAC3D計(jì)算模型

在FLAC3D軟件模擬過(guò)程中，計(jì)算考慮了場(chǎng)地斜坡石英砂巖、泥灰?guī)r、頁(yè)巖、堆積體等巖土層，結(jié)合實(shí)際各分區(qū)地質(zhì)條件，模型巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。

表1 斜坡巖體物理力學(xué)參數(shù)

3 場(chǎng)地未開挖前斜坡應(yīng)力場(chǎng)分析

斜坡主應(yīng)力矢量圖如圖2所示。天然條件下，斜坡內(nèi)應(yīng)力量值總體上與埋深呈正比，分布較均勻，最大主應(yīng)力局部由于巖性差異和地貌影響存在應(yīng)力水平相對(duì)較低或較高的現(xiàn)象，無(wú)拉應(yīng)力現(xiàn)象出現(xiàn)，堆積體區(qū)域由于容重低，孔隙多，應(yīng)力值較低，最大主應(yīng)力方向在斜坡內(nèi)部基本與重力方向一致，在臨近坡表部位調(diào)整為與坡面近于平行。

圖2 主應(yīng)力矢量圖

最小主應(yīng)力分布除受重力場(chǎng)影響外，受巖土體的界面和地貌影響較大，主要表現(xiàn)在場(chǎng)地斜坡下部近河谷巖體部位，目前無(wú)拉應(yīng)力出現(xiàn)，并且在斜坡堆積體與正常巖體分界部位有較為明顯的集中，同時(shí)在斜坡坡腳也有明顯的集中，最小主應(yīng)力的方向在坡體內(nèi)部一般為水平方向，而在臨近坡表調(diào)整為與坡面近垂直。

由場(chǎng)地斜坡未開挖前的主應(yīng)力分布特征可見，最大主應(yīng)力主要受重力場(chǎng)和巖土體分布不同影響，在斜坡中部及中上部巖土體存在著一定的拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力量值較小。

4 場(chǎng)地斜坡開挖后變形特性分析

為分析場(chǎng)地斜坡在場(chǎng)地平整開挖過(guò)程的變形特征，本次計(jì)算在斜坡天然應(yīng)力的條件下，對(duì)斜坡巖體在自重作用下的位移、位移速率以及塑性變形區(qū)進(jìn)行了清零，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開挖。由于開挖施工過(guò)程工序未知，且施工時(shí)間較短，模型中根據(jù)現(xiàn)在的地形采用一次性開挖完成。

場(chǎng)地斜坡開挖后，斜坡的變形過(guò)程位移矢量分布特征如圖3所示。斜坡變形主要發(fā)生在堆積體分布區(qū)域。從圖中可知，場(chǎng)地堆積體前部整體變形都較大，最大變形量約45cm，易發(fā)生滑動(dòng)破壞。堆積體中部變形量已達(dá)到25cm，說(shuō)明在坡度較陡部位易發(fā)生局部垮塌。而堆積體后部變形量相對(duì)較小，變形量在5~12cm之間，產(chǎn)生滑動(dòng)或垮塌的可能性較小。

圖3 場(chǎng)地斜坡開挖后變形過(guò)程位移矢量分布特征

斜坡開挖后，斜坡堆積體前部主要變形方向?yàn)楸睎|向或北東東向，而堆積體中后部變形方向主要為北向或北北東向（臨空面方向），其中堆積體后部偏西側(cè)有向北西或北西西方向變形的跡象。

由于場(chǎng)地西高東低，南高北低，在場(chǎng)地坡表開挖后，堆積體前部反壓重量減輕，在南西側(cè)堆積體的擠壓下，產(chǎn)生向北東向的變形，且在整個(gè)場(chǎng)地范圍內(nèi)變形最大，若后期再在地表加載或遇極端天氣條件下，堆積體前部易產(chǎn)生整體滑動(dòng)。堆積體前部南西側(cè)靠南部位坡度較陡，在場(chǎng)地開挖后此區(qū)域向北或北北東方向產(chǎn)生了一定變形，若不加支護(hù)，可能會(huì)產(chǎn)生小范圍垮塌或滑塌。

堆積體中后部在開挖后，局部坡度較陡，碎石土較松散，故產(chǎn)生了向臨空方向（即北向）的變形，后期在長(zhǎng)期風(fēng)化或暴雨條件下可能產(chǎn)生小范圍的滑坡。堆積體中后部整體變形較小，主要為填方體向西或北西臨空方向的變形，此區(qū)域場(chǎng)地較穩(wěn)定，基本不會(huì)產(chǎn)生大的變形或破壞，但坡表邊緣部位可能會(huì)出現(xiàn)掉塊的現(xiàn)象。

5 場(chǎng)地斜坡開挖后暴雨條件下變形特性分析

斜坡開挖后暴雨條件下，場(chǎng)地斜坡變形的總位移云圖如圖4所示，從圖中可以看出，暴雨條件下，堆積體前部的變形量劇增，最大值達(dá)到1.9m，而堆積體中后部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(shuō)明極端暴雨條件下堆積體前部所受影響較大，可能已經(jīng)滑動(dòng)破壞。

圖4 場(chǎng)地斜坡開挖后暴雨條件下變形過(guò)程中總位移分布特征

斜坡開挖后暴雨條件下，場(chǎng)地斜坡最大剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D如圖5所示，從圖中可以看出，堆積體前部在開挖后天然條件下的基礎(chǔ)上，大部分部位都出現(xiàn)了剪應(yīng)變集中現(xiàn)象，只是不同部位集中程度不同而已，邊緣部位最大，說(shuō)明此區(qū)域堆積體在暴雨條件下可能已經(jīng)破壞，而不僅僅是沿著底部滑面的滑動(dòng)變形，滑坡體內(nèi)也存在剪切破壞。

圖5 場(chǎng)地斜坡開挖后暴雨條件下最大剪應(yīng)變?cè)隽糠植继卣?/p>

6 結(jié)論

本文主要通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)大型松散堆積體斜坡開挖以及降雨后的變形特征進(jìn)行了分析。開挖后斜坡變形主要發(fā)生在開挖面后部堆積體分布區(qū)域。場(chǎng)地堆積體前部整體變形都較大，易發(fā)生滑動(dòng)破壞。堆積體中部坡度較陡部位易發(fā)生局部垮塌，堆積體后部變形量相對(duì)較小，產(chǎn)生滑動(dòng)或垮塌的可能性較小。降雨作用下，斜坡堆積體整體發(fā)生了輕微的變形，受開挖影響范圍內(nèi)堆積體的位移仍會(huì)持續(xù)增加。