FLAC-3D视域下的强度折减法矿山边坡稳定性研究

张长龙

（1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014）

随着社会经济发展，建筑工程项目的数量和规模不断扩大。在矿山工程施工中，矿山边坡稳定性对地质工程使用质量有着直接影响，甚至对整个矿山工程项目质量有着决定性影响。如何判断边坡稳定性，是工程施工队伍施工所关注的焦点，在判断边坡稳定性时利用强度折减法，已经逐渐被普及。

1 强度折减法基本概念与原理

强度折减法的本质是在计算边坡稳定性有限元稳定系数时所采用的一种方法，这种方法在分析边坡稳定性时，需对边坡安全系数展开持续性的计算，并且将折减之后的参数值录入到构建的模型中，不断对数据信息进行重复性计算，直到模型内的数值达到极限时出现破坏而停止计算，此时便可以获得边坡安全系数，系数是模型在发生破坏之前的数值[1]。

在判断矿山边坡稳定性时使用强度折减法，步骤相对简单，总体分为三步，第一步，完成边坡有限元分析模型构建，在坡体构建时采用各种材料，并且对不同单元属性予以明确，对边坡的初始应力场展开计算。对重力作用展开初步分析，得到边坡应变、应力以及位移的变化情况。第二步，基于一定的步长适当性的提高边坡位置的安全系数值，在计算模型中重新输入强度折减后的强度参数值，对数值重新计算得到结果。第三步，将第二步重复操作，持续的将边坡安全数值增加，将坡体的材料参数降低，直到计算不收敛位置，边坡出现稳定性破坏。

2 FLAC-3D对矿山边坡稳定性作出判断的依据

FLAC-3D技术是信息技术发展的产物，在矿山边坡稳定性分析中同样具有积极作用。FLAC-3D技术是一种数值分析方法，是以三维显示有限差分法为基础而展开的，在分析边坡稳定性时利用FLAC-3D技术，能够对材料或者是岩土三维力学关系作出模拟[2]。FLAC-3D技术在对边坡稳定性作出判断的时候，所依据的标准总体上分为三类。

第一，收敛数值的计算结果。在判断边坡稳定性时依据收敛数值，便是基于计算收敛与否作为依据，在计算有限元数值过程中完成分析。倘若是收敛在计算的时候，坡体稳定性良好，但是在不收敛计算时出现坡体不稳定下降，此时得到的强度折减系数便是边坡的安全系数。

第二，塑性区贯通情况。这种判断标准是当前边坡稳定性判断时，利用FLAC-3D实时判断的常用依据。贯通塑性区以后，贯通程度都不同，边坡稳定性所呈现出来的安全系数存在差异。若是计算过快的出现不收敛，塑性区也未实现贯通，不收敛计算判据之下边坡安全系数较小[3]。当塑性的应变能力达到量级的时候，塑性区被贯通，此时获得矿山边坡安全系数值也相对更加准确且可靠。

第三，特征点突变位移情况。对矿山边坡潜在的滑动面基于逻辑展开分析，在监测特征点的时候，可以借助于人工选择的方式，从边坡潜在滑动面上选择几个点，倘若边坡安全系数已经达到极限状态，选取的监测特征点位移情况将会逐渐趋向于流动的状态。

3 强度折减法与FLAC-3D技术结合

FLAC-3D软件可以对矿山边坡内摩擦角以及内聚力展开折减处理，依据自动查找安全系数命令完成，该指令在折减处理中将会按照强度折减法的基本原理展开，确定安全系数时直至边坡处于临界破坏状态以停止。可见，FLAC-3D软件中的solve fos指令的本质就是强度折减法，通过这条命令，可以在判断边坡稳定安全系数时，利用内插逼近的方法实现[4]。在计算时，其过程如下所示：

首先将一个比较大的数值赋予给内聚力，保证大幅度改变边坡内部的应力情况，将恢复系统平衡所需要的时步数计算求出，得到的结果便是特征时步数。

其次完成边坡安全系数计算。就确定的安全系数值运行时步，当不平衡率不超过0.001时，那么就表示系统状态为平衡。当不平衡率超过0.001时，需要执行下一个时步，如此循环往复，直至不平衡率不超过0.001结束。在不平衡率超过0.001的时候，需要比较上一个和此时得到的时步范围内的不平衡率平均值，倘若比较结果显示两者之间的差距相差不超过10%，那么此时可认定系统正处于不平衡状态，需要跳出当前的循环流程，利用全新的不平衡状态下的安全系数值重新计算，步骤跟前面所述如出一辙。若是上一个和此时得到的时步范围内的不平衡率平均值两者之间的差距相差超过10%，要继续展开时步循环计算，直至不平衡率不超过0.001，此时得到的结果便是被测量边坡的安全系数值[5]。

4 FLAC-3D视域下的强度折减法应用

在研究矿山边坡稳定性时基于FLAC-3D技术应用强度折减法，主要是对收敛性情况、位移突变情况以及塑性区域三种判据展开分析判断。分析中选取较为简单的均质土质边坡为案例，材料参数值如下所示：

表1 材料参数值表

4.1 收敛判据计算

收敛判据的标准是既有数值本身的计算过程是否出现收敛，在指定的收敛标准下，算法是不可以进行收敛的，此时应力分布不能够达到总体平衡的要求以及破坏土体的准则。在FLAC-3D技术下对是否出现收敛进行计算，当折减系数取值为1.40时，极限不平衡力将会随着计算时步数的增加而降低，趋向于0。这个趋势说明被测边坡具有稳定性和平衡性，当强度折减系数的取值为1.42时，此时计算得到的不平衡力已经不再趋向于0值。折减系数的取值为1.44和1.46时，所表现出来的不平衡力不趋0的现象更加显著，由此也可以充分表明在这三种情况之下，计算不平衡力已经不再进行呈收敛的态势。

总体而言，收敛判据计算时，折减系数的变化将会影响到不平衡力的变化，在开始的时候，折减系数的取值较小，不平衡力将会很小，甚至趋向于0，但是随着折减系数增加，不平衡力也随着上升，由此以表示体系已经失去稳定性。所以在对矿山边坡稳定的安全系数实施判断的时候，要基于收敛准则，取安全系数为1.40。

4.2 位移突变判据

在确定边坡安全系数的时候基于有限求解获得的结点位移，这便是特征点位移准则。坡顶位移计算时利用FLAC-3D技术下的强度折减法，发现折减系数变化将会对顶坡位移产生影响。从1开始计算，以0.2的增量增加折减系数，结果显示折减系数在1.83的时候，特征点的位移情况便出现了转折。当持续增加转折系数的时候，位移值在计算过程中将会伴随着折减系数的增加而增加，此时便可以得知选取的关键点已经处于流动的状态，边坡稳定性降低，甚至出现严重问题，由此获得边坡安全系数。

5 结语

在矿山工程施工期间，边坡稳定性的重要性不言而喻。作为施工企业，要格外注重边矿山坡稳定性的观察与测量。本文主要探究在FLAC-3D视域下的强度折减法判断边坡稳定性。在明确基本理论知识的同时，探究FLAC-3D视域的强度折减法应用措施。基于某边坡，分析收敛判据计算、位移突变判据、塑性区域贯通，旨在为分析边坡稳定提供借鉴。