2021年1月
第43卷第1期
地下水
Ground water
Jan. ，2021
Vol.43 NO. 1
D O I：10. 19807/j.c n k i.D X S.2021 -01 -043
基于FLA C3D的土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析
付雪，石磊，林建國，繆云騰
(甘肅省地質(zhì)礦產(chǎn)開發(fā)局第一地質(zhì)礦產(chǎn)勘查院，甘肅天水741020)
[摘要]采用F L A C3D模擬三維土體、巖體或其他材料力學(xué)特性，尤其是達(dá)到屈服極限時(shí)的塑性流變特
性，在 邊坡穩(wěn)定性分析中具有重要的應(yīng)用。F L A C3D已經(jīng)在土質(zhì)邊坡穩(wěn)定系數(shù)和邊坡變形特征研究中被廣泛應(yīng)用。以蘭州 市某土質(zhì)邊坡為例，基于F L A C3D方法，選取邊坡中部兩個(gè)典型剖面進(jìn)行計(jì)算，分析其天然工況下塑性、剪應(yīng)力變化、穩(wěn)定性及變形趨勢，并結(jié)合實(shí)際調(diào)查結(jié)果，驗(yàn)證計(jì)算參數(shù)選取的合理性。研究結(jié)果可知：在不考慮人為及其它因素影響的情況下，土質(zhì)邊坡在自然工況下基本穩(wěn)定，但從實(shí)際模擬過程來看，模擬計(jì)算結(jié)果一般偏大。故綜合認(rèn)為，為使土質(zhì)邊坡在自然條件下穩(wěn)定，邊坡坡度應(yīng)<45。。
[關(guān)鍵詞]邊坡穩(wěn)定性；塑性區(qū)；剪應(yīng)力增量；F L A C3D
[中圖分類號(hào)]T U413.6 +2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1004 - 1184(2021)01 -0121 -02
Analysis of soil slope stability bad on F L A C3D
FU X ue, SHI L ei, LIN Jian - guo, MIAO Yun - teng
(T h e F ir s t In s titu te o f G e o lo g ic a l a n d M in e r a l E x p lo r a t io n,G a n s u G e o lo g ic a l a n d M in e r a l D e v e lo p m e n t B u r e a u,T ia n s h u i
G a n s u 741020, C h i n a)
Abstract ：F L A C is u s e d to s im u la t e th e m e c h a n ic a l p r o p e r t ie s o f ro c k m a s s o r o th e r m a t e r i a l s,e s p e c i a l ly th e p la s t ic flo w
c h a n g e s p r o p e r t ie s w h e n th e y ie l
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e a c h e d,w h ic h h a s a n im p o rta n t a p p lic a t io n in s lo p e s t a b ilit y a n a l y s i s.F L A C3I>in
s o il s lo p e s t a b ilit y c o e ffic ie n t a n d c h a r a c t e r is t ic s o f s lo p e d e fo rm a tio n a r e w id e ly u s e d in th e s t u d y a s o il s lo p e in L a n z h o u c it y
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Key w ords：S o il s lo p e s t a b ilit y；p la s t ic z o n e；s h e a r s t r e s s i n c r e m e n t；F L A C3D
數(shù)值方法進(jìn)行邊坡的應(yīng)力分析始于上個(gè)世紀(jì)60年代，
其常用的數(shù)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(jì)70年代以來，有限元法已經(jīng)廣泛使用在土
體的動(dòng)力變化分析中[|]。拉格朗日元在邊坡變形問題中普
遍被采用，美國I t a s c a公司推出的F L A C3D&被運(yùn)用于邊坡
動(dòng)力變化分析中[3]。本文采用F L A C3D對(duì)某土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性
進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與已發(fā)生變形對(duì)比，分析其變形特征
及發(fā)展趨勢。
1邊坡基本概況
該土質(zhì)邊坡為人工削坡而成（圖1)，平面形態(tài)呈“梯
形”，坡頂寬52.5 m、底寬81.4 m，西側(cè)坡高29 ~ 38 m、東側(cè)
38 ~40 m；剖面形態(tài)呈“折線形”，坡度46° ~ 54°，呈下陡上
緩的特點(diǎn)。
邊坡出露的地層主要有第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、粉質(zhì) 粘土及沖洪積礫卵石。
1)第四系上更新統(tǒng)風(fēng)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(zhì)地均一，土 體結(jié)構(gòu)疏松，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，具較強(qiáng)濕陷性。
圖1土質(zhì)邊坡區(qū)域地理圖
2)粉質(zhì)粘土：分布于斜坡中部，海拔1 515 ~ 1 518 m之 間，厚度3 ~4m。主要為黃土狀土，夾薄層細(xì)砂層，具水平層
理，較密實(shí)，干燥狀態(tài)下較為堅(jiān)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> l〇m。灰一青灰色，次棱角狀，分選性較好。粒徑2 ~5c m的占
[收稿日期]2020 -08 - 10
[作者簡介]付雪（1983 -)，女，河南項(xiàng)城人，工程師，主要從事水工環(huán)地質(zhì)工作。
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35% ,5 ~ 8 c m的占25% ,8 c m以上的占20% ，可見最大粒徑
46 cm；泥砂充填物占20% ，密實(shí)、干燥一稍濕。
2計(jì)算模型建立
對(duì)同一地層中巖土體的性質(zhì)作均一化假設(shè)，本次數(shù)值模
擬計(jì)算采用？1^(：3°軟件進(jìn)行。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果，確定本次
計(jì)算邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。
表I邊坡土體物理力學(xué)參數(shù)
密度/kg/m3彈性抗剪體積切變內(nèi)摩
土類模量泊松比強(qiáng)度模量模量擦角
/MPa/kPa/MPa/MPa/°粉土1 348800.3317.6783020.7
粉質(zhì)粘土1 6401200.3120.61054625.2
砂礫卵石 2 1903000.38.325011545.6本次計(jì)算選取邊坡中部的兩個(gè)典型剖面進(jìn)行計(jì)算（圖2、圖3)，從而分析該邊坡整體的動(dòng)力變化[4]。
(圖5)長x寬x高= 41.2x l.0x42.6 m；計(jì)算條件為天然工況，本構(gòu)模型采用Mohr- Coulomb模型，初始應(yīng)力場按自重 應(yīng)力場考慮，計(jì)算收斂準(zhǔn)則為不平衡力比率滿足1〇~5的求解 要求，計(jì)算時(shí)步上限為30 000 steps。模型的邊界條件為底部固定約束，側(cè)面及后面限制水平移動(dòng)，頂面為自由面，采用三 角形網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，模型1劃分后共有9 016個(gè) 單元，2 636個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型2劃分后共有6 883個(gè)單元，2 213 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖4①號(hào)剖面區(qū)域建模圖 圖5②號(hào)剖面區(qū)域建模圖
3計(jì)算方案與模擬結(jié)果
為了更好的分析計(jì)算過程中邊坡的變形破壞特征，沿坡 面分別設(shè)置8處監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測該點(diǎn)處的位移狀況。采用 ￡1%3<!求解安全系數(shù)法（強(qiáng)度折減法）進(jìn)行數(shù)值計(jì)算[5]，經(jīng)分 析計(jì)算結(jié)果，天然工況下剖面1安全系數(shù)1. 13、剖面2安全 系數(shù)為1.22。
由剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D可知，剖面1存在一潛在滑動(dòng)面，從坡 腳一直延伸到坡頂，尤其是坡腳處剪應(yīng)變?cè)?/span>
量值相對(duì)最大，說明該段邊坡的失穩(wěn)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?shù)募魬?yīng)變?cè)隽恐迪鄬?duì)最大，最先 失穩(wěn)的是從坡頂開始。
通過FLAC3D計(jì)算土質(zhì)邊坡的剪應(yīng)力變化，初步了解邊坡變形的初始部位，進(jìn)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(yīng)變増量云圖圖7模型2剪應(yīng)變増量云圖
圖8 模型1塑性區(qū)圖 圖9 模型2塑性區(qū)圖
由圖8、圖9可知，在折減系數(shù)達(dá)到1. 13、1.22時(shí)，邊坡
恰好處于極限平衡狀態(tài)，坡體內(nèi)部塑性區(qū)從坡頂?shù)狡履_完全
貫通，形成完整的滑動(dòng)面，邊坡開始發(fā)生滑動(dòng)破壞，此時(shí)，各
個(gè)監(jiān)測點(diǎn)處的x方向位移均呈先快速增大后逐漸趨于穩(wěn)定的
變化特征，且整體變形量也較小，說明邊坡處于相對(duì)穩(wěn)定狀
態(tài)，沒有發(fā)生失穩(wěn)破壞，這和數(shù)值計(jì)算得到的邊坡安全系數(shù)
為 1. 13、1.22 —致。
4結(jié)語
(1)在自然工況下，模型1坡腳處的位移遠(yuǎn)大于坡體內(nèi)部的位移，坡腳最先發(fā)生變形，且變形量也較大；模型2坡體
上部的位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坡體其它部分，這與邊坡的失穩(wěn)破壞機(jī)
制是一■致的D
(2)在實(shí)際調(diào)查中，剖面1沒有發(fā)生明顯的滑動(dòng)；剖面2 左側(cè)，發(fā)生黃土淺層滑坡，滑體中部厚3?5 m，根據(jù)滑坡的運(yùn)
動(dòng)形式為推移式[6i，坡體上部先發(fā)生變形推動(dòng)下部滑動(dòng)，這
與模型2模擬該段邊坡的失穩(wěn)最先是從坡頂處的剪切破壞
開始一致。
(3)本次模擬重點(diǎn)在分析土質(zhì)邊坡在自然工況下的穩(wěn)定 性，選取的2個(gè)剖面坡度為45.5°、47. 6'在模擬
計(jì)算穩(wěn)定性
為1. 13、1.22，其結(jié)果是在不考慮人為及其它因素影響的情
況下，土質(zhì)邊坡基本穩(wěn)定，但在實(shí)際調(diào)查過程中，剖面2左側(cè)
發(fā)生淺層黃土滑坡，說明在模擬計(jì)算結(jié)果趨于大。綜合人
為，為使土質(zhì)邊坡在自然條件下穩(wěn)定，邊坡坡度應(yīng)<45°。
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