基于FLAC3D的寒區(qū)正融土坡穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

劉振國

（黑龍江省龍建路橋第一工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

滑坡是一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，給人類的生命財產(chǎn)帶來重大隱患。季節(jié)冰凍區(qū)土質(zhì)邊坡在溫度荷載作用下，由于土體內(nèi)水分的遷移以及土體自重的影響，常在春融期發(fā)生淺層滑坡，嚴(yán)重威脅著公路運營的安全。目前，許多學(xué)者對季凍區(qū)邊坡穩(wěn)定性進行了研究，土坡內(nèi)部的正凍土與融化土之間存在交界面，隨著凍融循環(huán)作用，該界面處有大量自由水積聚，導(dǎo)致土體抗剪強度明顯低于土坡內(nèi)其它部位。采用數(shù)值模擬的方法分析其極限狀態(tài)，有助于對季凍區(qū)土坡滑移進行更深入的了解，并對邊坡的設(shè)計以及健康監(jiān)測提供一定數(shù)據(jù)借鑒。

FLAC（Fast Lagrangian Analysis of Continua）即連續(xù)介質(zhì)快速拉格朗日分析，是一種基于拉格朗日差分方法的顯式有限差分程序，也是巖土力學(xué)計算的重要數(shù)值方法之一。采用此分析方法，以溫度為外加荷載，對季凍區(qū)正融土質(zhì)邊坡進行穩(wěn)定性模擬分析。通過結(jié)果分析其破壞形態(tài)的同時，確定邊坡內(nèi)部受力及變形最不利位置，為季凍區(qū)正融土質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性監(jiān)測提供理論借鑒。

1 邊坡數(shù)值模型的建立

1.1 土坡幾何結(jié)構(gòu)形式

本文所設(shè)計的邊坡坡度為1∶1，其深度應(yīng)為10m，假設(shè)邊坡內(nèi)部土質(zhì)均勻。具體的土質(zhì)邊坡模型尺寸如圖1所示。

1.2 材料模型及參數(shù)

土樣的本構(gòu)模型選用經(jīng)典的摩爾－庫侖（Mohr－Coulomb Model）彈塑性模型。土樣的具體參數(shù)為：容重γ＝20kN／m3，內(nèi)摩擦角φ＝20°，粘聚力c＝40kPa，彈性模量E＝20MPa，泊松比μ＝0.3，土的初始含水量為22%。在模擬運算過程中，重力加速度取9.8m／s2，熱傳遞系數(shù)取1.25。

由于安全系數(shù)隨土樣剪脹角的增大而增加，為分析土質(zhì)邊坡在最不利情況下的極限狀態(tài)，本模擬選用的土體剪脹角為ψ＝20°。

1.3 邊界條件

Flac3D的邊界條件為速度邊界條件。邊坡底部采取約束x，y，z三向邊界條件，兩側(cè)邊界約束水平速度，本文是平面應(yīng)變問題，因此，在y方向進行整體約束。

由于本文進行土坡正融分析，土坡和氣溫的初始溫度均為－5℃，升溫過程設(shè)計為溫度由－5℃升高至10℃，分析融化過程中土體邊坡內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。并根據(jù)土質(zhì)邊坡內(nèi)部剪應(yīng)變的變化趨勢和分布情況，判斷邊坡是否達到滑移的極限狀態(tài)。

1.4 土坡破壞判定標(biāo)準(zhǔn)

有限差分軟件FLAC內(nèi)置強度折減法命令。土坡穩(wěn)定性的主要指標(biāo)是土體的抗剪強度，而剪應(yīng)變率可以直接反映土體在抗剪時的狀態(tài)。以坡內(nèi)剪應(yīng)變增率的分部情況以及土坡網(wǎng)格點的速度矢量來表示剪切破壞的位置和形態(tài)。

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

采用FLAC3D進行了28525步強度折減循環(huán)后，得到了邊坡的極限平衡狀態(tài)，以下內(nèi)容分別對正融土坡的破壞形式、x方向滑移量以及土坡的內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)等方面進行分析。

2.1 正融土坡的破壞形式分析

基于有限差分法的仿真結(jié)果，提取正融土質(zhì)邊坡內(nèi)廣義剪應(yīng)變增量，并繪制其分布示意圖，如圖2所示。

從圖2中可以明顯看出，剪應(yīng)變幅值為1×e－1的廣義剪應(yīng)變區(qū)域在邊坡中已經(jīng)貫通，說明潛在的滑動面位于該剪應(yīng)變增量貫通的區(qū)域，而且剪塑區(qū)已經(jīng)形成，邊坡將發(fā)生失穩(wěn)破壞，此時的折減系數(shù)即安全系數(shù)為1.31。

為更方便地觀察剪應(yīng)變增量在土坡內(nèi)部的分布，分析潛在滑移面的位置，圖3給出了剪應(yīng)變增量的單元示意圖。圖3中根據(jù)廣義剪應(yīng)變增量的貫穿區(qū)域，采用黑色實線標(biāo)出了潛在滑移面的位置。

圖3 剪應(yīng)變增量的單元示意圖

為分析邊坡的失穩(wěn)破壞的位置，從模擬結(jié)果中提取代表邊坡網(wǎng)格點滑移趨勢的速度矢量，如圖4所示。

圖4 邊坡滑移的速度矢量示意圖

根據(jù)圖4可知，邊坡靠近坡面處的淺層土體自坡頂開始，滑移的速度矢量逐漸加大，且方向逐漸偏向邊坡表面一側(cè)，滑動趨勢越加明顯，證明潛在滑動面處已經(jīng)發(fā)生了滑移破壞。

2.2 正融土坡的滑移量分析

通常對土坡的監(jiān)測常常以位移量作為直接監(jiān)測參數(shù)，因此，從模擬結(jié)果中提取土坡x方向的位移量，并推測滑動破壞面的位置，如圖5所示。

圖5 土坡x方向的位移量

由圖5可知，土坡滑移自坡頂至下部位移量逐漸增加，滑移量呈明顯的分層分布。在臨界狀態(tài)下，最大位移值為6.7821×e－1mm，發(fā)生在坡腳處。

2.3 土坡內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)分析

為分析土坡最終破壞時內(nèi)部ZZ平面處的應(yīng)力分布狀況，特提取土坡內(nèi)部該平面的主應(yīng)力云圖，如圖6所示。

圖6 土坡內(nèi)部ZZ平面主應(yīng)力云圖

ZZ平面主應(yīng)力云圖顯示，邊坡內(nèi)部應(yīng)力分布明顯呈現(xiàn)分層形式，且土坡表層應(yīng)力值相對較小，應(yīng)力值由表層向下應(yīng)力逐漸增大，且均為壓應(yīng)力。

3 結(jié) 論

基于有限差分法，建立季凍區(qū)土質(zhì)邊坡的實體模型，通過改變界面上下參數(shù)的方法對土坡內(nèi)部凍融界面進行模擬，并得出如下結(jié)論：

1）通過自編Fish程序設(shè)計土坡內(nèi)部的溫度梯度場，較好地模擬了土坡融化過程，計算得出其內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變以及滑移速度矢量關(guān)系。

2）隨著融化深度的逐漸增大，土坡剪應(yīng)變較大增量的分布區(qū)域逐漸增加，坡體滑動的趨勢越加明顯，最終土坡沿剪應(yīng)變增量貫通區(qū)域發(fā)生滑動失穩(wěn)破壞。

3）模擬結(jié)果顯示，季凍區(qū)正融土坡極限狀態(tài)下的滑移破壞形式為，靠近坡頂處滑移面近似為平行于坡面的平面，坡底部滑移面為圓弧面。

4）本文僅考慮了單次溫度作用對邊坡穩(wěn)定性的影響，經(jīng)多次凍融循環(huán)后土坡穩(wěn)定性有待于進一步研究。

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