基于FLAC3D的路塹邊坡穩(wěn)定性分析

羅賢歡　吳琦

摘 要：【目的】道路切割坡體、暴雨和車輛荷載等條件會對路塹邊坡的穩(wěn)定性造成極大的影響。本研究以輝縣市上八里鎮(zhèn)回龍村張溝邊坡為例，根據(jù)邊坡所處的環(huán)境特征，分析其在不同工況影響下的變形特征及穩(wěn)定性，為邊坡的防治提供依據(jù)。【方法】使用FLAC3D軟件對邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬，研究邊坡在天然和暴雨條件下的變形和穩(wěn)定性，并調(diào)用FLAC3D內(nèi)置的Fish函數(shù)對路塹邊坡坡前道路車輛產(chǎn)生的動荷載進(jìn)行模擬，對動荷載下滑坡體內(nèi)部的變形特征進(jìn)行分析?！窘Y(jié)果】①邊坡在天然和暴雨情況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.9和1.186；②坡前公路動荷載峰值由1×105 N增加為1×106 N時，坡腳處水平最大應(yīng)變值增大13.4%，后緣水平最大應(yīng)變值增大13.2%?！窘Y(jié)論】暴雨降低了巖土體的強(qiáng)度，直接破壞了邊坡的穩(wěn)定性，坡前豎直方向動荷載增加了坡體水平方向剪切帶的連續(xù)性，但其對坡體最大應(yīng)變量造成的影響較小。

關(guān)鍵詞：輝縣市；路塹邊坡；FLAC3D；動荷載；穩(wěn)定性

中圖分類號：U416.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）03-0060-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.012

Stability Analysis of Cutting Slope Based on FLAC3D

LUO XianhuanWU Qi

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： [Purposes] The conditions of road cutting slope body， rainstorm and vehicle load have great influence on the stability of cutting slope. In this study， zhanggou landslide in Huilong Village， Shangbali Town， Huixian City is taken as an example， to analyzes the deformation characteristics and stability of the landslide under the influence of different working conditions， so as to provide a basis for slope prevention. [Methods] The FLAC3D software was used to simulate the deformation and stability of the slope under natural and rainstorm conditions， and the FLAC3D built-in Fish function was called to simulate the dynamic load generated by the road vehicles before the cutting slope， and the deformation characteristics of the landslide body under the dynamic load were analyzed. [Findings] ① The stability coefficient of the slope in natural and rainstorm conditions is 1.9 and 1.186 respectively; ②When the peak dynamic load of the anterior slope highway increases from 1×105 N to 1×106 N， the horizontal maximum strain value at the slope foot increases by 13.4%， and the horizontal maximum strain value at the posterior edge increases by 13.2%.[Conclusions] The rainstorm reduces the strength of the rock and soil mass and directly destroys the stability of the slope， and the vertical dynamic load before the slope increases the continuity of the horizontal shear band， but the influence on the maximum stress variable of the slope body is small.

Keywords： Huixian city; cutting slope; FLAC3D; dynamic load; stability

0 引言

近年來，在極端天氣及人類工程活動的影響下，地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，滑坡災(zāi)害嚴(yán)重威脅人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。我國中西部太行山區(qū)滑坡時有發(fā)生，特別是受到暴雨及人類活動等的影響，邊坡很可能失穩(wěn)，造成不可估量的損失。為完善滑坡的防治預(yù)警，需要對不同條件下邊坡的穩(wěn)定性和破壞機(jī)理進(jìn)行分析。目前，數(shù)值分析方法已成為滑坡穩(wěn)定性分析的一種重要方法［1］。使用FLAC3D軟件的強(qiáng)度折減功能［2］進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的優(yōu)勢是可模擬不同工況下邊坡的穩(wěn)定性情況，同時FLAC3D亦能準(zhǔn)確高效地反映滑坡潛在滑移面所處的位置及滑坡體內(nèi)部的變形特征和受力情況。

本研究以輝縣市上八里鎮(zhèn)回龍村張溝邊坡為例，使用FLAC3D作為數(shù)值模擬手段分析暴雨和坡前動荷載［3］下張溝邊坡的穩(wěn)定性，從而揭示該邊坡的破壞機(jī)理，為后續(xù)邊坡的防治提供依據(jù)。

1 邊坡區(qū)工程概況

1.1 邊坡區(qū)地理?xiàng)l件

輝縣市位于太行山脈與華北平原的交接地帶，交通便利，是河南省地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)區(qū)之一。張溝邊坡位于輝縣市上八里鎮(zhèn)回龍村張溝公路東側(cè)，交通條件較好。其氣候?yàn)榕瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，四季鮮明，多年平均降水量為621.58 mm，降水量在時空上分布不均，暴雨主要集中于5—9月，降水量由平原向山區(qū)增大，且常有短時強(qiáng)暴雨和連續(xù)暴雨，是區(qū)域內(nèi)災(zāi)害的主要誘發(fā)因素。

1.2 邊坡區(qū)工程地質(zhì)條件

邊坡區(qū)為中山地貌，地勢陡峻，地形地貌復(fù)雜，地形坡度為14°～34°，總體坡度為21°，西南低東北高，上緩下陡，海拔為1044～1168 m，相對高差124 m，坡體傾向274°。邊坡區(qū)斷裂構(gòu)造發(fā)育，切割強(qiáng)烈，存在較強(qiáng)的侵蝕作用，地層屬華北地層大區(qū)-山西地層分區(qū)-太行山地層小區(qū)，出露地層由老到新為中元古界汝陽群云夢山組、古生界寒武系下統(tǒng)辛集組與朱砂洞組、寒武系下中統(tǒng)饅頭組，以及新生界新近系和第四系，并以寒武系分布最廣，具體如圖1所示。主要巖性組成為泥晶灰?guī)r、石英砂巖、灰?guī)r和頁巖。

1.3 邊坡基本特征

根據(jù)野外調(diào)查情況，張溝邊坡長約為130 m，寬約為100 m，滑坡體厚度為30～60 m，總體積約為7.15×105 m3，為局部巖質(zhì)順層邊坡。邊坡整體呈不規(guī)則形，左、右側(cè)以沖溝為界，后緣至山脊陡坎處。邊坡前緣因修路切坡形成陡坎，坎高10～30 m，坡面泥晶灰?guī)r風(fēng)化破碎嚴(yán)重，中間夾有數(shù)層軟弱夾層，易形成局部巖石懸空帶，每年春季開凍及夏季雨水沖刷造成坡面巖石大量墜落。坡腳滑帶處常年有水滲出，后緣有圈椅狀裂縫出現(xiàn)，雨季時水量增大，將對滑體穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。通過對工程鉆探、室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果及物探資料進(jìn)行分析，滑動面分布在泥晶灰?guī)r破碎帶中，如圖2所示。其主要為寒武系下統(tǒng)饅頭組第一段底部泥晶灰?guī)r，其巖體破碎，溶孔發(fā)育且含有泥質(zhì)充填，平均厚度為4.0 m，為滑坡體內(nèi)最大剪應(yīng)力集中面，滑床為中元古界汝陽群石英砂巖，滑體巖性為寒武系泥晶灰?guī)r、薄層灰?guī)r，局部出露頁巖。

2 基于FLAC3D 的邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 研究方法

為了深入分析邊坡的穩(wěn)定性和破壞特征，選用FLAC3D軟件對該邊坡進(jìn)行仿真模擬。FLAC3D是有限差分法模擬軟件，采用顯式差分法完成運(yùn)動方程及動力方程的計(jì)算［4］。本研究使用其內(nèi)置的強(qiáng)度折減法對天然和暴雨條件下邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并通過Fish函數(shù)在坡前公路施加動荷載來研究邊坡的變形情況。

2.2 模型建立及參數(shù)選取

將研究區(qū)5 m×5 mDEM柵格數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS軟件中，使用其“Spatial Analyst工具”的表面分析功能生成等高線，將等高線數(shù)據(jù)導(dǎo)入Rhino 7軟件中，完成邊坡模型的建立。該邊坡模型沿x軸方向長約290 m，沿y軸方向?qū)捈s390 m，沿z軸方向最高點(diǎn)約310 m。為了保證計(jì)算的精確性，堆積體、滑動體的網(wǎng)格尺寸為3～4 m，基巖部分的網(wǎng)格尺寸為5 m，模型共劃分253 640個節(jié)點(diǎn)、311 127個單元，各邊界點(diǎn)均耦合。模型頂部坡面邊界為自由邊界，模型四周邊界和其底部均約束法向位移，根據(jù)勘探所得資料劃分地層，得到模型如圖3所示。模型建立后直接導(dǎo)入FLAC3D中，使用FLAC3D內(nèi)置的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。通過鉆探取樣、室內(nèi)試驗(yàn)及與該地區(qū)相關(guān)文獻(xiàn)類比［5-6］，得出邊坡巖土體計(jì)算參數(shù)，見表1。

2.3 天然、暴雨條件下邊坡的穩(wěn)定性分析

模擬得出邊坡于天然條件下穩(wěn)定性系數(shù)為1.9，處于穩(wěn)定狀態(tài)，該狀態(tài)的邊坡中下部存在較為明顯的剪切應(yīng)變區(qū)。最大剪應(yīng)變區(qū)位于邊坡坡腳處泥晶灰?guī)r和薄層灰?guī)r的接觸區(qū)域。此時邊坡最大剪切應(yīng)變云圖如圖4（a）所示，該邊坡最大剪切應(yīng)變增量為0.315，坡腳處出現(xiàn)連續(xù)的剪切應(yīng)變區(qū)域。選取主剖面的剖面如圖4（b）來觀察坡體的應(yīng)變情況，y方向上剪切變形主要存在前緣處，此時滑體后緣剪切應(yīng)變較小，且剪切帶的整體性較差。最大主應(yīng)力云圖如圖4（c）所示。由圖4（c）可知，較大的應(yīng)力區(qū)分布于滑體與灰?guī)r接觸的后端和滑體后緣部分。可推測由于下滲的雨水從坡腳順層流出，該區(qū)域未達(dá)到長期飽和的條件且風(fēng)化程度較低，成了給邊坡提供抗滑力的主要區(qū)域。經(jīng)過分析坡體內(nèi)部存在滑動趨勢，但剪切帶內(nèi)部不連續(xù)，說明邊坡天然狀態(tài)下未形成連續(xù)的滑動面，整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

暴雨工況下邊坡后緣出現(xiàn)較為明顯的剪切帶，如圖5（a）、5（b）所示。剪切帶一直延伸到破碎帶和薄層灰?guī)r的接觸處，此時坡體重度增加，滑體前段在水平方向上的應(yīng)變明顯增大，由滑體前緣剪切區(qū)域向上擴(kuò)散，由此可知滑體后部的接觸帶被逐漸拉張破壞，而邊坡前緣后方約10 m處至滑帶深處部位的剪應(yīng)變?nèi)圆幻黠@。最大主應(yīng)力云圖如圖5（c）所示，由圖可知，此時分布在滑帶處的應(yīng)力區(qū)更為集中。與天然工況相比，滑體下部的受力區(qū)域變小，這表明暴雨工況下滑面開始出現(xiàn)塑性破壞，中下部提供的抗滑力區(qū)域也逐漸減小，在長期風(fēng)化后便會在重力作用下失穩(wěn)滑動。此時邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.186，處于極限平衡狀態(tài)，邊坡基本穩(wěn)定。

根據(jù)一系列的模擬結(jié)果，得到該邊坡在不同工況下主剖面的總位移矢量圖如圖6所示。由圖6可知，天然工況下主要的位移區(qū)分布在邊坡下部；暴雨工況下，滑體下滑的趨勢和規(guī)模比天然狀態(tài)下大得多，初步判斷邊坡此時即將失穩(wěn)。

2.4 動荷載作用下邊坡的變形特征

除了暴雨對邊坡穩(wěn)定性的影響，坡前公路來往車輛的擾動也可能使邊坡內(nèi)部發(fā)生變形破壞［7］。使用FLAC3D內(nèi)置的Fish函數(shù)對邊坡施加動力波來模擬過路車輛對道路產(chǎn)生的荷載，以此研究天然工況下豎直方向同頻率不同振幅的動荷載對邊坡的影響。函數(shù)見式（1）。

[wave = 1+ math.sin（zone.dynamic.time.total*100）] （1）

該函數(shù)施加的動荷載波為正弦波，加載位置為坡前5～20 m的區(qū)域，收斂條件保持一致，“zone.dynamic.time.total”為動力施加的總時間，“wave”的值在0～2之間反復(fù)波動，“A”與“wave”之積即為道路實(shí)時荷載，對“A”分別賦值1×105 N、2×105 N、3×105 N、4×105 N、5×105 N及1×106 N，得到主剖面y方向應(yīng)變云圖，如圖7所示，同時對模型坡腳a點(diǎn)（266.2，45.4，132.2）和后緣b點(diǎn)（263.3，136.4，191.5）的應(yīng)變增量進(jìn)行監(jiān)測。

由圖7綜合對比圖4可知，施加動荷載后滑體前緣在水平方向相較于沒有加載時出現(xiàn)更大區(qū)域的剪應(yīng)變，滑體后部應(yīng)變量增大且剪切帶更加均勻，可知在動荷載的作用下，滑動面逐步貫通，加劇了滑體與滑床之間的塑性破壞。然而，隨著動荷載的加大，邊坡水平方向的應(yīng)變增加較為緩慢，模擬監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。當(dāng)A的值由1×105 N增加到1×106 N時，a點(diǎn)處水平最大應(yīng)變值增大13.4%，b點(diǎn)處水平最大應(yīng)變值增大13.2%，說明動荷載大小在有限的范圍內(nèi)對于邊坡最大的應(yīng)變量并無太顯著的影響。

3 結(jié)論

通過利用FLAC3D數(shù)值模擬對比分析天然和暴雨工況下邊坡的穩(wěn)定性，并揭示路塹邊坡在坡前公路荷載作用下邊坡變形破壞的特征，模擬結(jié)果與實(shí)際勘察分析結(jié)果相吻合，得出以下結(jié)論。

①切坡造成坡腳巖體應(yīng)力集中，在暴雨工況下滑體中下部有較大滑動的趨勢，邊坡前緣后方約10 m處至滑帶深處區(qū)域強(qiáng)度相對較高，為提供抗滑力的主要區(qū)域。

②天然和暴雨工況下的穩(wěn)定性系數(shù)分別為1.9和1.186，暴雨降低了巖土體的強(qiáng)度，直接破壞了邊坡的穩(wěn)定性。坡前豎直方向動荷載增加了水平方向剪切帶的連續(xù)性，但對坡體最大應(yīng)變量的影響較小，長期綜合作用下邊坡隨時有滑動的可能。

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