基于FLAC 3D 的強(qiáng)降雨作用下臨夏紅層滑坡穩(wěn)定性研究＊

儲(chǔ)益旭，周建偉，白玉輝，顧 俊，楊 澳

（西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

2018 年7 月18 日，甘肅省遭遇特大暴雨，導(dǎo)致甘肅省臨夏回族自治州多處受災(zāi)。臨夏市由于連夜的強(qiáng)降雨導(dǎo)致山體發(fā)生滑坡，致使房屋倒塌以及人員傷亡。經(jīng)實(shí)地考察研究后，發(fā)現(xiàn)該地發(fā)生滑坡的主要原因是紅層土分布較廣。由于紅層工程穩(wěn)定性較差，在經(jīng)歷強(qiáng)降雨后易產(chǎn)生滑坡災(zāi)害。本研究以臨夏回族自治州多茨一、二回線路臨夏段工程處的滑坡的土體為研究對(duì)象。通過(guò)利用FLAC 3D 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析地面的沉降和滑坡的位移情況以及應(yīng)力分布狀況，并以此對(duì)該地區(qū)的滑坡的防災(zāi)減災(zāi)工作提供參考依據(jù)。

1 紅層的成理、性質(zhì)以及分布

1.1 紅層的成理、性質(zhì)

紅層成理普遍為巖性復(fù)雜的陸相碎屑沉積，如礫巖、砂巖、和泥巖等，也有蒸發(fā)巖夾層。大型盆地中紅層的沉積分異現(xiàn)象比較明顯，盆地邊緣多為洪積相的礫巖和角礫巖；在盆地中部，沉積物粒徑逐漸減小，多為河流相和湖泊相的細(xì)砂粉砂泥巖或黏土狀或鐵質(zhì)、鈣質(zhì)膠結(jié)，巖性較弱[1]。

1.2 紅層的分布

我國(guó)多數(shù)省份都有著紅層分布的跡象。根據(jù)相關(guān)研究顯示，我國(guó)紅層的總面積大約有826 389 km2，約占國(guó)土總面積的8.61%，分布詳情見(jiàn)表1。

表1 主要省份紅層統(tǒng)計(jì)一覽表

2 FLAC 3D 的計(jì)算方法及特點(diǎn)

2.1 FLAC 3D 軟件的計(jì)算方法

FLAC 3D 是由美國(guó)ITSCA 公司開(kāi)發(fā)的一種可以應(yīng)用于各種巖土工程的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析以及大型有限差分析軟件，該軟件可以把土樣在不同應(yīng)力條件下的變形狀況以一種直觀的形式顯示出來(lái)。

FLAC 3D 軟件是一種基于快速拉格朗日算法的三維顯式有限差分法程序，利用顯式差分法來(lái)進(jìn)行求解運(yùn)動(dòng)方程和動(dòng)力方程[2]。軟件內(nèi)有一條自動(dòng)查找安全系數(shù)的內(nèi)嵌命令-solve fos，該命令就是利用強(qiáng)度折減法來(lái)求解邊坡的安全系數(shù)[3]。在計(jì)算時(shí)一般采用Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則進(jìn)行判定，內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c 對(duì)其穩(wěn)定性有著較大的影響。強(qiáng)度折減法先確定邊坡的原始內(nèi)摩擦角φi和原始黏結(jié)力ci，然后將φi、ci的正切值同時(shí)除以折減系數(shù)K[4]。在得出計(jì)算結(jié)果K 之后，對(duì)其不斷進(jìn)行折減試算，直到該邊坡達(dá)到臨界破壞狀態(tài)，此時(shí)計(jì)算得出的Kcr即為該邊坡的安全系數(shù)F。

2.2 FLAC 3D 軟件的特點(diǎn)

FLAC 3D 采用混合離散法模擬材料的塑性流動(dòng)或屈服特性，該方法相較于有限元法中所采用的降階積分更加合理。該軟件采用顯示方法進(jìn)行求解，對(duì)于已知的應(yīng)變?cè)隽?，可以很方便地將其求出，得到平衡力，同?shí)際中的物理過(guò)程一樣，可以跟蹤系統(tǒng)的演化過(guò)程[5]。在進(jìn)行邊坡數(shù)值建模時(shí)，可以選擇三維或二維模型，采用二維模型能顯著地提高計(jì)算效率，但是二維計(jì)算模型不能考慮空間范圍內(nèi)被結(jié)構(gòu)面控制的邊坡形態(tài)特征，而采用Ansys 進(jìn)行建模，借鑒其強(qiáng)大的前處理功能，可建立被結(jié)構(gòu)面控制的邊坡三維數(shù)值模型，在Ansys 里面劃分網(wǎng)格，并借助網(wǎng)格轉(zhuǎn)換插件，最終導(dǎo)入到FLAC 3D 中。

3 數(shù)值模擬

3.1 研究區(qū)域

本研究取樣地為甘肅臨夏回族自治州多茨一、二回線路臨夏段工程處某紅層滑坡。

3.2 模型建立

本研究以對(duì)當(dāng)?shù)鼗碌匦芜M(jìn)行勘察，并在CAD中建立幾何模型導(dǎo)入Ansys 后，再導(dǎo)入FLAC 3D，對(duì)當(dāng)?shù)赝馏w取樣進(jìn)行土工試驗(yàn)得出土體的物理化學(xué)性質(zhì)，并依據(jù)這些數(shù)據(jù)完善FLAC 3D 計(jì)算模型。模型寬211 m、高52 m、厚50 m，網(wǎng)格基本為4 mm×4 mm×4 mm的六面體網(wǎng)格，坡面位置進(jìn)行單元加密，計(jì)算模型端部邊界施加水平速度約束，模型底部為固定邊界。建立模型如圖1 所示，天然、飽和工況下的單元參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

圖1 數(shù)值模型圖

表1 實(shí)體單元參數(shù)（天然）

表2 實(shí)體單元參數(shù)（飽和）

3.3 數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

3.3.1 天然工況

天然工況下最大位移位置處于坡底部位，如圖2所示。天然工況方向最大水平位移與總位移大小趨于一致，同樣發(fā)生在模型底部，說(shuō)明該邊坡破壞主要發(fā)生的是底部的水平位移。天然工況下x 方向最大水平位移比y 方向水平位移小一個(gè)數(shù)量級(jí)，并且發(fā)生區(qū)域主要集中在模型頂部，說(shuō)明邊坡位移仍以y 方向水平位移為主，x 方向?yàn)檩o。

圖2 天然狀態(tài)下總位移云圖

最大剪切應(yīng)變率即滑動(dòng)帶，通過(guò)對(duì)天然狀態(tài)下切應(yīng)變?cè)隽吭茍D（圖3）的分析可以得出，滑動(dòng)主要發(fā)生在土層第二層與第三層的交界面，形成了明顯的剪切滑動(dòng)帶，并且在坡頂積累，在坡腳滑出，是典型的單滑動(dòng)面破壞型邊坡。坡腳位置形成的次滑動(dòng)帶，并沒(méi)有貫通，也沒(méi)有產(chǎn)生較大變形。邊坡整體變形主要是向下變形，并且在底部達(dá)到最大。

圖3 天然狀態(tài)下切應(yīng)變?cè)隽吭茍D

模型最大主應(yīng)力因滑動(dòng)帶的剪切位移，滑動(dòng)帶位置出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，如圖4 所示。最小主應(yīng)力變化也同樣集中在滑動(dòng)帶位置，但是整體上最小主應(yīng)力相較于未發(fā)生滑坡時(shí)變化并不明顯。

模型第二主應(yīng)力，也在滑動(dòng)帶位置出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。由圖4 可看出坡頂及坡腳位置同樣也出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中現(xiàn)象。觀察方向的主應(yīng)力可得出，在滑動(dòng)帶頂部及坡腳出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，但是在坡面處，出現(xiàn)多處壓應(yīng)力集中。因方向不是滑動(dòng)帶作用的主方向，因此方向主應(yīng)力，并沒(méi)有太大變化，壓應(yīng)力及拉應(yīng)力集中的數(shù)值也與其他方向不在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，因?yàn)闊o(wú)需重點(diǎn)關(guān)注。方向主應(yīng)力，是重力作用的主應(yīng)力方向，在滑動(dòng)帶位置，方向主應(yīng)力變化明顯，出現(xiàn)了拉壓應(yīng)力集中交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，表明滑動(dòng)帶位置的應(yīng)力突變明顯，坡頂及坡腳都出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中，并且說(shuō)明模型以軸應(yīng)力為主導(dǎo)應(yīng)力方向，如圖5 所示。

圖4 天然狀態(tài)下最大主應(yīng)力云圖

圖5 天然狀態(tài)下z 方向應(yīng)力云圖

3.3.2 飽和工況

飽和工況下，模型的總位移比天然工況下小一個(gè)數(shù)量級(jí)，但是出現(xiàn)最大位移的位置相同，總位移模型底部如圖6 所示；模型方向水平位移發(fā)生在模型底部，如圖7 所示，與總位移方向一致；模型方向最大水平為位移與天然工況的方向位移規(guī)律相同，主要發(fā)生在模型頂部，并比方向小一個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明方向，即豎直方向?yàn)橹魑灰品较颉Ｗ畲蠹羟袘?yīng)變?nèi)园l(fā)生在第二層與第三層的界面處，并在坡頂開(kāi)始滑動(dòng)，在坡腳滑出。

圖6 飽和狀態(tài)下總位移云圖

圖7 飽和狀態(tài)下y 方向位移云圖

觀察可得出，飽和工況下，最大主應(yīng)力在滑動(dòng)面上下，坡腳處出現(xiàn)拉應(yīng)力集中。最小主應(yīng)力，在滑動(dòng)面在坡頂及坡腳處出現(xiàn)壓應(yīng)力集中（圖8），最大壓應(yīng)力，該值已超過(guò)土體本身的抗壓強(qiáng)度。

圖8 飽和狀態(tài)下最小主應(yīng)力云圖

第二主應(yīng)力的規(guī)律與天然工況下的大致一樣，壓應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在滑動(dòng)面頂部，而拉應(yīng)力集中現(xiàn)象則出現(xiàn)在坡腳處。方向主應(yīng)力，在坡面主要出現(xiàn)壓應(yīng)力集中，在坡頂小范圍內(nèi)出現(xiàn)拉應(yīng)力集中（圖9），方向主應(yīng)力，不是應(yīng)力的主要變化方向，因?yàn)榉较蛑鲬?yīng)力的數(shù)值與其他方向相比偏小，且沒(méi)有出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象；飽和工況下，方向主應(yīng)力仍為主應(yīng)力方向，在滑動(dòng)面位置出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中和拉應(yīng)力集中交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，規(guī)律與天然工況相同，說(shuō)明滑動(dòng)帶位置的應(yīng)力突變明顯（圖10）。

圖9 飽和狀態(tài)下x 方向正應(yīng)力云圖

圖10 飽和狀態(tài)下z 方向正應(yīng)力云圖

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

（1）在天然工況邊坡位移以y 方向水平位移為主要方向，x 方向?yàn)檩o。邊坡整體的變形方向主要是向部下變形，在底部時(shí)達(dá)到最大。滑動(dòng)主要發(fā)生在土層第二層與第三層的交界面，形成了明顯的剪切滑動(dòng)帶，并且在坡頂積累，在坡腳滑出，以z 軸應(yīng)力為主導(dǎo)應(yīng)力方向。

（2）在強(qiáng)降雨、土體飽和工況下，出現(xiàn)最大位移的位置同天然工況，都位于模型底部，最大剪切應(yīng)變?nèi)园l(fā)生在第二層與第三層的界面處，并在坡頂開(kāi)始滑動(dòng)，在坡腳滑出。z 方向仍為主應(yīng)力方向，在滑動(dòng)面位置出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中和拉應(yīng)力集中交替出現(xiàn)的現(xiàn)象，說(shuō)明該滑動(dòng)帶位置的應(yīng)力突變現(xiàn)象最為明顯。

4.2 建議

根據(jù)FLAC 3D 軟件數(shù)值模擬得出的結(jié)果，可以考慮在滑坡底部處打入合適尺寸的抗滑樁，樁體連接地層的第二層和第三層以增加該滑坡的穩(wěn)定性，防止在強(qiáng)降雨天氣下發(fā)生滑坡。