基于有限差分FLAC3D的邊坡穩(wěn)定分析及工程對(duì)策

韓 雪，安文博，趙子龍，楊文舉

( 1．黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱150022; 2．中國(guó)化學(xué)工程第一巖土工程有限公司，河北滄州061000)

基于有限差分FLAC3D的邊坡穩(wěn)定分析及工程對(duì)策

韓 雪1，安文博1，趙子龍1，楊文舉2

( 1．黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，哈爾濱150022; 2．中國(guó)化學(xué)工程第一巖土工程有限公司，河北滄州061000)

以鶴崗3052項(xiàng)目CE段邊坡工程為背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，運(yùn)用有限差分法FLAC3D對(duì)邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，探究坡體發(fā)生變形破壞的原因及其影響因素，進(jìn)而提出相應(yīng)的工程對(duì)策。分析結(jié)果表明:邊坡局部白漿土夾層遇水軟化、抗剪強(qiáng)度大幅降低且形成邊坡滑塌破壞潛在滑動(dòng)面，是坡體發(fā)生變形破壞的主要原因;白漿土分布是邊坡穩(wěn)定性的主要控制因素。據(jù)此，后續(xù)工程建設(shè)應(yīng)對(duì)白漿土的分布進(jìn)行詳實(shí)準(zhǔn)確勘察，結(jié)合工程地質(zhì)條件對(duì)白漿土分布集中區(qū)域坡體采用削坡減載法處理。

有限差分;邊坡穩(wěn)定性;白漿土;削坡減載

收稿日期: 2013-12-31
第一作者簡(jiǎn)介:韓 雪( 1969-)，男，吉林省榆樹(shù)人，教授，博士，研究方向:巖土工程減災(zāi)，E-mail: hanxue69@ yahoo．cn。

我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，滑坡、泥石流等災(zāi)害頻發(fā)[1]。其中，由于人類工程活動(dòng)引發(fā)的滑坡災(zāi)害也時(shí)有發(fā)生。因此，結(jié)合不同區(qū)域的工程地質(zhì)條件，采用一定的方法和技術(shù)手段分析工程邊坡穩(wěn)定性，并據(jù)此采取相應(yīng)的工程對(duì)策，對(duì)安全、經(jīng)濟(jì)、高效的工程建設(shè)具有重要意義。文中以鶴崗3052項(xiàng)目CE段邊坡為工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬的方法，分析邊坡穩(wěn)定性及破壞原因，為工程建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1工程概況與地質(zhì)特征

1. 1 工程概況

工程CE段邊坡所處區(qū)域的地貌類型屬丘陵漫崗，由于切坡后未對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的防護(hù)處理，切坡作業(yè)影響范圍內(nèi)的巖土體發(fā)生了大面積的變形破壞。

( 1)因植被揭除，坡肩至征地紅線范圍內(nèi)的坡頂面在坡面片流與溝流的侵蝕作用下形成了大量的沖溝。

( 2)邊坡坡面在應(yīng)力釋放與自身重力的作用下嚴(yán)重變形，形成上凸下凹的不平整坡面。

( 3)因崩塌、滑塌、沖刷作用形成的巖屑堆沿坡腳連續(xù)分布，在邊坡的北段和南段先后發(fā)生了較大型的滑塌。坡體破壞情況如圖1所示。

1. 2 邊坡主要地層及巖性

工程CE段邊坡區(qū)域地層主要為海相、海陸交互相和陸相沉積。在工程場(chǎng)區(qū)，邊坡開(kāi)挖出露的地層自上而下主要分層和巖性如下:

1層:素填土，灰黃～灰褐色，局部灰色，以黏性土為主，局部為粗砂、礫砂，夾植物根莖，結(jié)構(gòu)松散。

2層:全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，黃褐色、灰白色，局部灰色，以風(fēng)化的粉砂、粗砂、礫砂為主，礦物成分由石英、長(zhǎng)石組成，顆粒呈亞圓形，密實(shí)。部分泥巖風(fēng)化成土狀，硬塑，局部可塑。

3層:強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，黃褐色、灰白色，局部灰色，風(fēng)化成中砂、粗砂狀，含泥質(zhì)，局部風(fēng)化成土狀，屬極軟巖。

4層:強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，黃褐色、灰白色，局部灰色，以風(fēng)化形成的土狀為主，夾較多粉砂、粗砂、礫砂顆粒，巖芯呈短柱狀，屬極軟巖。

3層和4層局部分布白漿土，邊坡地層概況如圖2所示。

圖2 地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布Fig．2 Geological structure distribution

2 數(shù)值模擬

2. 1 有限差分法原理

有限差分法源于20世紀(jì)40年代，需要建立剛度矩陣，求出偏微分方程的“顯示解”。其依據(jù)公式[2]空間導(dǎo)數(shù)的有限差分方程

和節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)方程、時(shí)間導(dǎo)數(shù)有限差分方程

進(jìn)行有限差分，在時(shí)間及空間上進(jìn)行運(yùn)算。相對(duì)其他有限元原理來(lái)說(shuō)，它能很好地解決大變形問(wèn)題。有限差分原理利用混合離散技術(shù)，將空間物體劃分為無(wú)數(shù)個(gè)六面體單元，通過(guò)節(jié)點(diǎn)之間的連接，建立關(guān)系式以計(jì)算有限差分時(shí)程方程。求解計(jì)算過(guò)程如圖3所示[3]。

圖3 求解過(guò)程Fig．3 Solving process

2. 2 模型建立

工程邊坡實(shí)體原型抽象為數(shù)值計(jì)算模型，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬，三維分析模型、網(wǎng)格及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 邊坡三維數(shù)值分析模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置Fig．4 Slope three-dimensional numerical analysis model and monitoring point arrangement

坡段坡高h(yuǎn) = 15. 5 m，坡底標(biāo)高為±0 m，分析模型網(wǎng)格數(shù)為19 000，原型模擬范圍為CE段邊坡，長(zhǎng)(與紙面垂直的y軸方向)×寬(與紙面平行的x軸方向)×高(垂直方向，即z軸) =100 m×60 m× 15. 5 m。模擬實(shí)驗(yàn)中，對(duì)于白漿土薄土層，將其簡(jiǎn)化為層理結(jié)構(gòu)[4]，并在模型中建立了分界面。考慮雨水沖刷、滲透以及自重等作用，在施加外部荷載的過(guò)程中，采用強(qiáng)度折減法[5]，利用式( 3)、( 4)對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行折減。

式中: F——折減系數(shù)，又稱邊坡穩(wěn)定最小安全系數(shù);

φ——折減后摩擦角;

c——黏聚力。

模型邊界條件，底部邊界固定，左右垂直邊界約束水平位移。

計(jì)算模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)與現(xiàn)場(chǎng)已設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采取對(duì)應(yīng)布置。計(jì)算段共設(shè)置12個(gè)計(jì)算測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)沿邊坡水平向間距25 m，沿坡面斜向間距約30 m?，F(xiàn)場(chǎng)在部分相應(yīng)測(cè)點(diǎn)位置按規(guī)程設(shè)有測(cè)斜孔，對(duì)該邊坡重點(diǎn)部位的位移情況進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)和對(duì)比分析。

根據(jù)工程勘察、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，模擬分析土層參數(shù)，指標(biāo)取值見(jiàn)表1。

表1數(shù)值模擬中使用的土層參數(shù)Table 1 Soil parameters used in numerical simulation

3模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為研究白漿土薄弱層對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，分別進(jìn)行了不考慮和考慮白漿土弱化作用運(yùn)算，就兩種運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行分析。

3. 1不考慮白漿土強(qiáng)度弱化作用

圖5 和圖6是不考慮白漿土強(qiáng)度弱化作用計(jì)算結(jié)果，分別為邊坡x軸方向位移和應(yīng)力云圖。由圖5可知，在y軸方向[16，34]m范圍及附近區(qū)域，坡體局部產(chǎn)生了5. 5 mm位移。根據(jù)一般滑坡破壞機(jī)制[1]，坡體應(yīng)出現(xiàn)微撕裂現(xiàn)象，進(jìn)而形成裂縫。由圖6可見(jiàn)，x軸方向應(yīng)力分層，根據(jù)三軸應(yīng)力(圖7)分析，在y、z軸一定的情況下，x軸向主應(yīng)力大小相異，土層具有產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的力學(xué)條件。

圖5 邊坡x軸向位移Fig．5 x axial displacement nephogram of slope

圖6 邊坡x軸向主應(yīng)力Fig．6 x axis of slope to principal stress nephogram

圖7 三軸應(yīng)力Fig．7 Triaxial stress

圖8 是不考慮白漿土強(qiáng)度弱化作用的邊坡塑性區(qū)分布圖。由圖可知，坡體斷面部分區(qū)域由彈性演變?yōu)樗苄?，并伴隨出現(xiàn)拉伸屈服，坡體存在滑動(dòng)破壞趨勢(shì)。

圖8 邊坡塑性區(qū)分布( 16 m剖面)Fig．8 Slope plastic distinguish layout (16 m cutting plane)

3. 2考慮白漿土強(qiáng)度弱化作用

圖9 和圖10是考慮白漿土強(qiáng)度弱化作用計(jì)算結(jié)果，分別為邊坡x軸方向位移和應(yīng)力云圖。

圖9 邊坡x軸向位移(考慮白漿土)Fig．9 x axial displacement nephogram of slope ( considering white paper clay)

由圖9可知，y軸方向[16，34]m范圍及附近區(qū)域，坡體局部產(chǎn)生了11 mm位移，白漿土強(qiáng)度弱化嚴(yán)重加劇了坡體位移。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，在雨水及其滲透作用下，白漿土抗剪強(qiáng)度參數(shù)顯著降低，最終將演變?yōu)榛泼鎇6-7]。

據(jù)圖10可知，坡體表層x向主應(yīng)力(與x軸負(fù)方向相同)由1. 0e4增大至2. 0e4，白漿土強(qiáng)度弱化作用使x方向上的應(yīng)力顯著增加，從而加劇了滑坡、塌落現(xiàn)象的發(fā)生。

圖10 邊坡x軸向主應(yīng)力(考慮白漿土)Fig．10 x axis of slope to principal stress nephogram ( considering white paper clay)

圖1 1是考慮白漿土強(qiáng)度弱化作用的邊坡塑性區(qū)分布圖。由圖可知，坡體斷面大部分區(qū)域由彈性演變?yōu)樗苄?，塑性區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大;拉伸屈服特征也進(jìn)一步明顯，坡體滑動(dòng)破壞特征顯現(xiàn)。

圖11 邊坡塑性區(qū)分布( 16 m剖平面后面，考慮白漿土)Fig．11 Slope plastic distinguish layout ( 16 m behind cutting plane，considering white paper clay)

圖1 2為現(xiàn)場(chǎng)J19號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移曲線。此圖形為不同深度位置累計(jì)位移量曲線，由圖可知，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)孔的實(shí)測(cè)曲線數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果基本吻合。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆孔有限，對(duì)于實(shí)際測(cè)點(diǎn)不足的位置采用數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)變形并采取相應(yīng)的工程對(duì)策。

圖12 J19測(cè)點(diǎn)水平位移(測(cè)斜)曲線Fig．12 J19 diagram of measuring points

4 工程對(duì)策

迄今為止，邊坡治理主要有抗滑樁、錨桿、錨索、擋土墻、噴錨防護(hù)、削坡減載等方式[8-9]。其中，抗滑樁不宜用于軟塑體滑坡，適于滑動(dòng)面較深、滑動(dòng)推力較大的情況。錨桿支護(hù)不宜用在深層滑坡，且在15 m之內(nèi)應(yīng)有基巖錨固，作為錨固支點(diǎn)。錨索支護(hù)不宜使用在滑面較緩的坡體。擋土墻的形式較多，其支護(hù)一般設(shè)置在滑坡體前緣，在使用時(shí)，需恰當(dāng)設(shè)計(jì)擋土墻截面形狀，以起到良好的效果。削坡減載法適用于塑性黏土、砂性土以及巖層。

依據(jù)數(shù)值分析結(jié)果，綜合考慮工程地質(zhì)條件和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，防止3052項(xiàng)目邊坡滑坡破壞，主要采取的工程對(duì)策如下:

( 1)進(jìn)行更為詳細(xì)的工程勘察，探明白漿土的分布情況;

( 2)對(duì)于順層連續(xù)分布有白漿土的坡段，采用削坡減載的方法進(jìn)行滑坡防治，修改設(shè)計(jì)坡體坡率為1∶2。

5結(jié)論

以鶴崗3052項(xiàng)目CE段邊坡為研究工程背景，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，采用有限差分FLAC3D數(shù)值模擬方法，分析邊坡穩(wěn)定性及破壞原因，并提出相應(yīng)的工程對(duì)策，得到以下主要結(jié)論:

( 1)白漿土薄弱層的存在和分布特征是影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。白漿土具有遇水軟化強(qiáng)度顯著降低的特征。順層連續(xù)分布有白漿土的坡段，在降雨等因素作用下邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)顯著降低。

( 2)工程勘察應(yīng)詳實(shí)準(zhǔn)確探明白漿土的分布特征。順層連續(xù)分布有白漿土的坡段，需要確定合理的坡率，采用削坡減載的方法進(jìn)行滑坡防治。

[1] 黃潤(rùn)秋．20世紀(jì)以來(lái)中國(guó)的大型滑坡及其發(fā)生機(jī)制[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26( 3) : 433-453．

[2]孫書偉，林 杭，任連偉．FLAC3D在巖土工程中的應(yīng)用[M]．北京:中國(guó)水利水電出版社，2011．

[3]金文佳．云南某露天礦巖質(zhì)邊坡結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究[D]．昆明:昆明理工大學(xué)，2011．

[4]彭文斌．FLAC3D實(shí)用教程[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

[5] 陳國(guó)慶，黃潤(rùn)秋，周 輝，等．邊坡漸進(jìn)破壞的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度折減法研究[J]．巖土力學(xué)，2013，34( 4) : 1140-1146．

[6] 劉華磊，徐則民，張 勇，等．降雨條件下邊坡裂縫的演化機(jī)制及對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響——以云南省雙柏縣丁家墳滑坡為例[J]．災(zāi)害學(xué)，2011，26( 1) : 26-28．

[7] 劉婷婷，匡恩俊，高中超，等．白漿土某些物理性質(zhì)的研究II．土壤抗剪強(qiáng)度及脆性[J]．黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012( 5) : 40-43．

[8]高秋野．綜合決策在邊坡治理中的研究與應(yīng)用[D]．青島:山東科技大學(xué)，2008．

[9] 高 垠，王科峰，朱奎衛(wèi)．復(fù)雜巖體邊坡治理工程的綜合加固措施研究[J]．巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29( 5) : 760-764．

(編輯 晁曉筠)

Slope stability analysis and engineering measures based on finite difference method FLAC3D

HAN Xue1，AN Wenbo1，ZHAO Zilong1，YANG Wenju2

( 1．School of Civil Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China; 2．China Chemical Engineering First Geotechnical Engineering Co．Ltd．，Cangzhou 061000，China)

This paper，drawing on the engineering background typical of CE segment slope collapse in Hegang 3052 project，describes the numerical simulation of slope stability using the FLAC3Dfinite difference method and combined with field monitoring data，the exploration of the causes and influencing factors triggering the slope deformation destruction，and the consequent application of the corresponding engineering countermeasures．The results suggest that the sharp reduction of shear strength produced by the softening of local soil interlayer in white pulp slope due to water，and the resulting occurrence of potential sliding surface of slope failure are mainly responsible for slope deformation and failure; the distribution of white pulp soil is the main factor controlling the slope stability．It follows that the further construction implies the necessity of achieving an accurate and detailed survey of the distribution of white pulp soil and controlling the slopes found in the areas with concentrated distribution of white pulp soil，by virtue of cutting slope and reducing load，as is dictated by actual engineering geological conditions．

finite difference method; slope angle optimization; white pulp soil; cutting slope lightening

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 023

U416．14

2095-7262( 2014) 01-0103-05

A