基于数值模拟堆积体边坡变形特征分析

梁利红

(广东省地质局 第七地质大队,广东 惠州 516008)

基于数值模拟堆积体边坡变形特征分析

梁利红

(广东省地质局 第七地质大队,广东 惠州 516008)

随着电子计算机的发展和应用,FLAC3D在岩土工程边坡稳定性分析领域得到了快速运用。结合某边坡,用FLAC3D进行三维分析模拟计算,并分析边坡变形特征、应力特征及稳定性,结果表明,FLAC3D数值模拟边坡应力、变形特征与工程实际相符。

堆积体边坡;数值模拟;变形特征

在广东地区,有大量松散堆积体斜坡,其不同于常见的岩质边坡和土质边坡,它是一种具有不连续性、非均质性和各向异性等复杂特性的力学介质[1],由于有这些特性的影响,决定了堆积体性质研究的复杂性[2]。因此,开展堆积体边坡稳定性、变形特征分析和应力变化[3]分析至关重要。以“惠州市惠东县某滑坡”为研究对象,通过相关的建模数据,建立FLAC3D[4]三维模型,并选取典型地质断面进行分析,基于数值模拟得出对堆积体边坡的应力特征、变形特征及稳定性评价,并对类似坡体的变形破坏特征、稳定性分析评价与支护设计提供经验参考和示范借鉴。

1 工程概况

惠东县某村后侧山体自然边坡高95 m,中上部坡度约为35°,中下部坡面较缓,坡度为15°～25°,坡向121°。边坡覆盖层主要由坡积层、残积层堆积体组成。其中坡积层(Qdl)为含碎石粉质粘土,层厚为3.2～5.80 m;残积层(Qel)为粘性土,可—硬塑,遇水易软化,层厚为8.50～18.20 m;下部岩层为强风化泥质粉砂岩。

2013年8年16日,受“尤特”强台风持续强降雨影响,该堆积体边坡发生变形迹象,但是并没有整体失稳,在中上部标高155 m处坡面出现横向张拉裂缝,长约38 m,裂缝宽约0.3～0.5 m,中下部标高103 m处坡面发育鼓丘裂隙,鼓胀凸起部分土质松散。该堆积体边坡经极限平衡法[5]评价,边坡处于临界稳定状态。

2 计算模型

首先建立该边坡工程地质模型,从研究区域地形图上直接读取地形数据点数据,在AUTOCAD把整个模型的构造轮廓精细反映出来,确定关键点的坐标;然后再通过特定的转换软件转换文件的格式,导入ANSYS软件中进行模型建立,并最终生成网格;最后,通过ANSYS模型中的节点和单元信息文件生成FLAC3D的脚本文件,导入FLAC3D中生成物理模型,如图1所示。

图1 堆积体边坡三维模型Fig.1 Three dimensional model of accumulation slope

3 岩土体物理力学性质的输入参数

该边坡岩土体强度参数的选取以勘察试验成果数据为依据,坡残积粉质粘土天然状态:重度19 kN/m3,粘聚力24 kPa,内摩擦角18°;饱和状态:重度20 kN/m3,粘聚力22 kPa,内摩擦角16°;强风化砂岩天然状态:重度21 kN/m3,粘聚力35 kPa,内摩擦角25°;饱和状态:重度22 kN/m3,粘聚力33 kPa,内摩擦角22°。为了更好地评价边坡的变形、应力特征和稳定性,针对现状边坡,考虑自重状态和自重+暴雨状态两种工况进行数值模拟分析,探讨边坡的稳定性、应力特征和变形特征。

图2 剖面1计算模型Fig.2 Calculation model of Profile 1

4 现状边坡数值模拟分析

4.1 计算模型与计算工况

对于现状边坡,选取剖面1作为研究对象,计算模型边界选取边坡周界,同时外延20～30 m。计算工况选择自重状态和自重+暴雨状态两种工况。

剖面1的FLAC3D计算模型如图2所示。

考虑到堆积体边坡岩土参数的差异性,对边坡分为两种不同参数的岩土材料进行模拟,同时,对于边坡下部基岩,根据其岩性参数也分为两部分进行数值模拟计算模型考虑。

4.2 主应力分析

考虑计算工况选择自重状态和自重+暴雨状态两种工况,分别就典型剖面在两种工况下的主应力分布情况进行分析。

自重状态和自重+暴雨状态两种工况下剖面1最大主应力分布情况如图3、4所示。

从图3、4中可以看出,边坡主要表现为压应力分布,越靠近边坡面应力值越小,在坡肩处,应力值发生变化,表现为较大的拉应力,同时坡脚出现较大的剪切应力。对比图3和图4可知,暴雨条件下使得边坡坡肩拉应力和坡脚剪切应力明显增加,说明暴雨对本边坡的稳定性有较大影响。

4.3 位移分析

考虑计算工况选择自重状态和自重+暴雨状态两种工况,分别就典型剖面在两种工况下的位移分布情况进行分析。

图3 自重状况下剖面1最大主应力等值线图Fig.3 The max principal stress contour map of Profile 1 under the gravity condition

图4 自重+暴雨状况下剖面1最大主应力等值线图Fig.4 The max principal stress contour map of Profile 1 under the condition of gravity and rainstorm

自重、自重+暴雨两种工况下剖面1的X方向位移分布情况如图5、6所示。

从图5和图6可以看出,根据FLAC3D数值模拟应力和位移分析,边坡在未发生较大位移变形破坏的状态下,其应力、位移变形分布特征主要表现为:

(1) 在坡脚处,由于应力分布的影响,导致出现一个明显的应力集中带,该处最大主应力出现明显的增加,最小主应力则显著下降,甚至可能出现负值,主要应力特征是最大主应力表现为切向应力,最小主应力表现为径向应力,从而形成了最大剪应力增高带,极易出现坡脚剪切破坏,如该堆积体前缘鼓丘隆起变形。

(2) 在坡肩处,应力状态呈现为拉应力集中,导致坡肩极易出现拉伸破坏,如该堆积体边坡中上部发育一条贯通弧形张拉裂缝,裂缝宽0.3～0.5 m,可见深度达1.5～2 m。

根据以上分析,说明FLAC3D数值模拟应力和位移分析与工程实际相符。即坡肩处拉应力集中,导致坡肩极易出现拉伸破坏,变形表现为坡肩发育一条贯通弧形张裂缝;坡脚处形成最大剪应力增高带,易产生剪切破坏,变形表现为坡脚前缘鼓丘隆起。

图5 自重状况下剖面1的X方向位移等值线图Fig.5 X direction displacement contour map of Profile 1 under the gravity condition

图6 自重+暴雨状况下剖面1的X方向位移等值线图Fig.6 X direction displacement contour map of Profile 1 under the condition of gravity and rainstorm

通过对边坡在自重和自重+暴雨两种工况下进行变形和应力特征数值模拟分析可以发现,在暴雨作用下,堆积体边坡诱发变形破坏,稳定性受到一定程度的影响,地下水是影响堆积体边坡变形,甚至是诱发滑坡地质灾害的主要因素[6]。因此,有必要针对大气降水采取必要的地表截排水措施,减少大气降水的冲刷和入渗作用,提高边坡岩土体的整体稳定性和强度。

5 结束语

FLAC3D数值模拟滑坡的应力、变形特征与该滑坡的位移变形特征基本一致,验证了数值模拟分析堆积体滑坡变形特征的正确性。通过对变形及应力特征分析,针对工程区岩土体性状及变形特点,建议采用抗滑桩+清方卸载的方案对不稳定边坡进行综合治理。

通过FLAC3D三维分析模拟计算,对边坡变形特征、应力特征及稳定性进行分析评价,为不稳定斜坡治理设计提供科学依据。结合数值模拟来综合分析边坡变形特征、应力特征并预测其发展趋势,也可为类似坡体的稳定性分析评价与支护设计提供经验参考和示范借鉴。

极限平衡法计算边坡稳定性时不能反映边坡组成物质的本构关系、应力特征及变形位移量,而数值分析方法能依托计算机技术,能够计算并直观反映出边坡内的应力场分布和位移变形特征,因此,FLAC3D在岩土工程边坡稳定性分析领域具有较为广阔的开发运用前景。

[1] 陈红旗,黄润秋,林峰.大型堆积体边坡的空间工程效应研究[J].岩土工程学报,2005,27(3):323-328.

[2] 冯刚.复杂堆积体边坡变形失稳分析及其稳定性综合评价[D].天津:天津大学,2011.

[3] 卢肇钧.粘性土抗剪强度研究的现状与展望[J].土木工程学报,1999,32(4):3-9.

[4] 刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[5] 陈祖煜.水利水电工程堆积体边坡稳定性分析和工程措施研究[J].贵州水利发电,2003,17(4):5-9.

[6] 易顺民,梁池生.广东省地质灾害及防治[M].北京:科学出版社,2010.

(责任编辑：于继红)

Analysis on Deformation Characteristics of Accumulation Slope Basedon Numerical Simulation

LIANG Lihong
(TheSeventhGeologicalBrigadeofGuangdongGeologicalBureau,Huizhou,Guangdong516008)

With the development and application of electronic computer,FLAC3D has been quickly used in slope stability analysis of geotechnical engineering.Combined with a slope example,the deformation characteristics,stress characteristics and stability have been analyzed in this study through three dimensional analysis and simulation calculation by FLAC3D.The results show that the stress and deformation characteristics of the slope based on FLAC3D numerical simulation are consistent with the engineering practice.

accumulation slope; numerical simulation; deformation characteristics

2016-10-26;改回日期:2016-12-01

梁利红(1981-),男,工程师,地质工程专业,从事地质灾害治理工作。E-mail:416382973@qq.com

TU457; TP15

A

1671-1211(2017)02-0223-03

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.02.021

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170314.0825.020.html 数字出版日期:2017-03-14 08:25