河谷边坡形成进程中变形破坏FLACD数值模拟

河谷边坡形成过程中变形破坏FLAC3D数值模拟摘要：本文结合XX滑坡所处地质环境，利用FLAC3D数值分析软件，模拟软硬互层斜坡在河谷边坡形成过程中的应力变化及变形破坏特征。分析得出，初始应力场中，σv垂直应力均为压应力，近水平平行分层分布，由坡顶向深部基本呈线性递增，增加梯度大致与岩体平均重度等同；最大主应力方向近垂直方向，随深度线性递增。随河谷下切，河谷边坡岩体在卸荷作用下引起内部应力重分布，局部应力集中，最大主应力迹线发生偏转，越接近临空面越与之平行，最小主应力则与之正交；坡体由于开挖卸荷，坡表回弹变形明显，根据监测点位移值，坡顶到坡脚变形呈由小变大的趋势。关键词：FLAC3D；河谷边坡；软硬互层；变形破坏；数值模拟0引言天然斜坡或人工边坡形成过程中，岩体内部原有的应力状态将随着过程的进行而发生变化，引起应力的重分布和应力集中等效应。斜坡岩体为适应这种新的应力状态，将发生不同形式和不同规模的变形与破坏，斜坡变形破坏过程和它所造成的不良地质环境可对人类工程活动带来十分严重的危害，如滑坡、崩塌等的发生[1]。河谷边坡形成过程中，由于河谷下切引起的卸荷回弹，将引起边坡坡体的应力分异及变形破坏，目前河谷下切过程的应力场研究一般采用以实测地应力资料为基础的定性-半定量分析和数值分析两种方法。由于可以处理复杂的边界条件及材料的非均质等问题,特别是近年来计算机硬件技术的快速发展以及一系列界面友好、计算能力强、操作简单的分析软件,如3D-σ、FLAC3D等的相继推出,数值计算方法已经成为河谷(岩土体)应力场分析的最主要途径。数值方法在研究特定岩体,特别是具有复杂边界的计算对象时,具有明显的优势,从采用的控制方程、计算过程及结果形式来看,数值法也是定量的,但是由于岩体结构的高度复杂性及勘探精度的限制,参数只能近似取值,因此从本从质上看,数值法仍然是定性的[2]。本文对于XX滑坡所处地质环境的应力场研究以及河谷边坡形成过程中的变形破坏特征的研究，诣在为进一步分析XX滑坡的地应力环境及形成机制以及判断滑坡发展阶段进行基础性研究，同时，河谷边坡最大主应力大小及方向的探明与成坡过程中卸荷回弹水平的初步分析，对于弄清XX滑坡的形成过程紧密相关。1工程概况XX滑坡发生于约30年前，该滑坡位于XX省XX市XX县XX乡，地处XX省东北部，地理坐标为北纬28°19′06.41″，东经108°02′09.20″。据作者2012年4月、11月，2013年4月三次现场地质调查发现，该滑坡目前变形特征明显，主要表现为多处出现拉陷槽，并且在分布上具有规律性，走向均大致为SW-NE走向。该滑坡的变形乃至再次失稳将影响到该地区24户人家，153人的生命财产安全，故对其进行研究具有实际意义。滑坡后缘高程约为962~980m左右，前缘高程870m，垂直高差约为100m，为缓倾外顺层软硬互层岩质边坡滑坡，基岩产状约为300°~310°∠7°~10°。滑坡范围内涉及的岩性，上部为下古生界志留系中下统韩家店群马脚冲组、溶溪组中的黄绿、灰绿色页岩，化石主要为腕足类，数量少，属种单调，下部为下古生界志留系下统石牛栏组，以灰、深灰色中厚层至块状生物骨屑及介屑灰岩为主，时具角砾状及瘤状构造，偶夹泥质灰岩及钙质泥岩，富含珊瑚、腕足类及三叶虫等化石[3]。在滑坡前缘以下，为石牛栏组与松坎组整合接触，呈现厚层灰岩与页岩软硬互层分布，最底部为深切河谷，滑坡后缘与河谷底高差约为280~300m，图1为XX滑坡地质环境示意。税图剑1X创X番滑坡地否质环境四Fig仇ure培1原G犁eol碍ogi刮cal陕en匠vir倚onm雷ent件of莫xi篇ang桂shu农pin沙gl炸and老sil病de2FLAC3D简介[4~6]FLAC3D（3-DFastLagrangianAnalysisCode)是由美国ITASCA公司开发的。目前FLAC有二维和三维计算程序两个版本，FLAC3D是一个三维有限差分程序，是二维的有限差分程序FLAC的扩展，能够进行土质、岩石和其他材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析。调整三维网格中的多面体单元来拟合实际的结构，单元材料可采用线性或非线性本构模型，在外力作用下，当材料发生屈服流动后，网格能够相应发生变形和移动（大变形模式）。FLAC3D采用的显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术能够非常准确地模拟材料的塑形破坏和流动。由于无须形成刚度矩阵，因此，基于较小内存空间就能够求解大范围的三维问题。FLAC3D有以下几个优点：（1）对模拟塑性破坏和塑性流动采用的是“混合离散法”。这种方法比有限元中通常采用的“离散集成法”更为准确合理。（2）即使模拟的系统是静态的，仍采用了动态运动方程，这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。（3）采用了一个“显示解”方案。模拟大变形问题几乎并不比小变形问题多消耗更多的计算时间，因为没有任何刚度矩阵要被修改。FLAC3D做计算分析的一般步骤与大多数程序采用数据输入方式不同，FLAC3D采用的是命令驱动方式。命令控制着程序的运行，建立FLAC3D模型必须进行三方面的工作：（1）有限差分网格；（2）本构特性与材料性质；（3）边界条件与初始条件。完成上述工作后，可以获得模型的初始平衡状态，然后进行工程开挖或改变边界条件来进行工程的响应分析。3FLAC3D数值计算[7~13]3.1模型建立模型范围：根据现场实际调查和已做出的剖面图，选取穿越滑坡中部及近垂直河谷方向的典型剖面，建立地质模型见图2，在建立模型时，为了尽可能减小底部边界约束对计算结果的影响，底部边界离河谷谷底取约0.7倍的边坡高度200m，在确立横向边界时，为了将整个边坡包括在内并尽量减小边界影响，左侧取河谷谷底处作为边界，右侧取至边坡顶以外约40m处作为边界，取长度方向左端点为坐标原点，水平向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向。模型在x方向长度为800m，y方向高度为480m，y方向高度由坐标原点向上分别为下部谷底以下深度200m范围，中部河谷边坡高差160m，上部XX滑坡范围高差120m。在CAD中绘制平面模型，导入ANSYS中拉伸Z方向50m厚建成三维模型，并网格化，利用ANSYS-FLAC3D接口程序，按照平面应变建立计算模型，见图3，其中模型长x宽x高=800mx50mx480m（计算范围内相应的坐标为：x方向为0~800m;y方向为0~480m;z方向为0~50m）。（2）岩性及本构模型：模型最底层为厚层灰岩，向上依次分层为页岩、灰岩、页岩、灰岩，以上全部为页岩（XX滑坡以内），XX滑坡前缘以下为软硬互层岩体结构，见图2；计算模型采用岩土工程中应用最为广泛的Mohr-Coulomb弹塑性模型,该模型包含剪切和拉伸两个准则。（3）边界条件及初始条件:下部固定约束，左右两侧法向约束,厚度方向前后侧面法向约束，上坡面为自由边界，全场自重应力通过重力加速度g=9.81m/s2施加。（4）计算模型如图3所示,经过网格剖分,模型共有34112个单元,21663个节点。（5）如图2所示，首先对模型进行初始应力场计算，计算完成，将位移恢复为零，然后分别按图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的步骤进行开挖模拟计算，每开挖一步计算一步，下一步计算开始前先将位移恢复为零，分析应力场分布及位移变化。庭图岛2乞炕地质模斩型储Fig眼ure解2译Geo柱log脚ica隆lm刮ode昼l雪图姜3邪腾计算模阻型丸Fig探ure绑3C病alc辰ula细tio慕nm兴ode麻l3.2岩体物理力学参数血根据现辟场地质息调查抄，迫X确X盈滑坡主按要由页打岩组成聚，前缘幸与石牛懒栏组整府合接触领带也有烂少量灰围岩，前心缘至河耍谷底为谦灰岩、炼页岩软套硬互层由结构。不岩体物咐理力学谨参数是佛综让合舒X在X郊相近滑杰坡的钻读孔、探米槽所取违得试样丙的物理非力学试羡验资料亮以及查沉阅相关处规范，拌结合工桶程经验头取得，傲见表畜1润。阵表眠1威洲岩体物尤理力学察参数苗Tab弦le1杰戏P等hys奋ica街la桐nd树mec腊han钉ica遇lp头ara井met雁ers判of惕ro洪ck眉mas必s企岩体脉密度灰kg/粉m3话弹性模朴量砌MPa求泊松比皮黏聚力告MPa站内摩擦趁角扯°填抗拉强纤度辅MPa赶页岩艰242鸽0未180钳0捡0.2嘴8藏1.6扑7纯30漠2.4驼灰岩揪267薪0镇280准0畅0.2槐4配2.5抓40筐2.5鼠3.3担近计算分掏析酷（寺1章）初始勒场分析洪边坡工避程数值立计算中防，初始盯地应力趣场的模涛拟是必换须首先柜关注的议问题。敢数值模愈拟的初匹始地应趴力场是授否与实吴际地应悠力场吻挑合较好纪，是决牲定边坡泡工程数天值模拟优能否成宿功的基牌本条件康。通常耽认为，胸初始应哭力场主息要由岩颂体自重智和地质样构造应娃力产生忧，其他悦影响因熊素如温崭度产生别的应力启在边坡敏工程中饿往往忽痰略不计务，而在孔该边坡荡的地表该浅覆层零环境下盆，地质慢构造应锡力很低惨，仅考慌虑岩体稻自重产熔生的应循力场，部往往可父以满足璃计算的种精度要坚求牧[10运]芦。据黄进润秋等筋[9]矿,巷垂直应奋力论σ问v眠随深度孙线性增仅加，增茶加梯度垄大致与谢岩体重喘度等同践：脖σ苍v街=嚼γ筐h填=滋ρ徐平膊g下h浆≈魂250耳0x1纵0x4挪80=构12企(Mp辩a商），其滚中，蒜ρ衣平烦为所取职页岩与很灰岩密寇度的大痕致平均速值，理研论计算遥值与初察始场数枯值计算科结果基肌本吻合抗，见谱图耻4浓。由于字以自重颜应力为永主，没弱有考虑阀水平构冬造应力止，最大梯主应力竭方向主茄要受自棍重应力叙影响，雨为垂直泛方向，层最小主识应力与额之正交撞，由于伞边界效废应，在洽坡顶及土两侧主街应力迹趣线略有诊异常现茫象，半总体上调，从边说坡表部允到坡体畜内部应杏力值呈裙现逐渐狡增大的坐趋势，午这是因阶为越往蛮坡体深朽部，对奥应的上叹覆岩体长的厚度谎越大，娃最大主活应力量婶值最大矿约爪为地12M仇p材a赖，最小多主应力肃值恰好氏相反，查见下图鸡5~俗7涝。稠图葬4古初始场果垂直应汪力琴等值云份图倾Fig矿ure住4V车ert疫ica惩ls回tre莲ss腐e迅qui播val叶ent朴cl摘oud被of猛劝ini缴tia疯lf巴iel蛋d像图高5透塘最大主葡应力等锈值云图泻Fig椅ure道5盘M头axi旱mum供pr慕inc雁ipa箩ls纱tre萝ss孙e颤qui别val当ent黎cl沿oud堪图骡6及杏最小主闷应力等京值云图吴Fig籍ure飘6M痛in戴imu醋mp估rin遍cip孤al刮str容ess应e蔬qui返val经ent锄cl垃oud悟图峰7牙扭主应力肠迹线卫Fig郊ure润7虎Pri坟nci挖pal爆st赞res韵st歼rac开e忧（遣2松）河谷每边坡形巩成过程历变形破侦坏特征受分析舟初始计吹算完成泼，现对孔河谷边期坡形成姥的下切通过程进腊行模拟些分析，哭下切分挺为衣Ⅰ拿、杀Ⅱ量、洪Ⅲ贱、截Ⅳ必、防Ⅴ径五级开替挖的顺浮序进行女，每开农挖一步烫，分析漠河谷边纵坡的应额力分布唤变化与赠变形破桑坏情况墓，分析袋得出：川随着下闹切，在寿河谷边绍坡形成摊过程中承，边坡齿岩体内砍的应力杀状态由荐于边坡针临空面厕附近的江应力重锄分布及群应力集威中作用拍，变得冰复杂。母由于河五谷边坡怎临空面色的形成浙，使得倾附近原香来处于逢应力平雕衡状态厅的边坡沟体遭受疯临空面六附近局梯部卸荷差的影响筑，发生器边坡体雪向临空蹦方向的锅膨胀回丘弹，主劫应力迹声线也发鉴生明显寨的变化妨，具体席表现为掠：仪1富）主应峰力迹线娘在河谷撤边坡临撕空面附表近发生网明显的只偏转，炒越靠近量临空面豆，最大刚主应力炸越与之嫁平行，轿最小主牲应力则做与之正妈交，见城图行8搁；章2尼）最大普主应力辰表现为闻由临空着面向坡增体内逐锈渐增大弄，在临历空面处册达最大作值好约长11.超2Mp唯a课，最小切主应力钳则相反监，由坡炉体内向贼临空面百逐渐减锤小，在奋临空面衰处接近曲为零，别见例图李9球；旱3械）在下忌切初期锤（第一咸步开挖袄）临空舞面坡脚免出现剪婶应力集雹中，随天继续下勾切，剪礼应力集奶中区由河坡脚呈陆圆弧形泰向坡体厅左下侧递转移，攀最后在莫边坡坡炉脚下高约次40~求50烦m扛深度处胃形成一铺大范围兔剪应力胳集中区飞域，剪兼应力值绝最大镇约态6.8耍Mp阔a寿，见钟图掩1拌0羞；碍4纽）临空山面附近辽的卸荷鞭回弹表誉现为位夹移值的熄变化，成每一步最开挖，土坡体向圣临空面猫方向均阳有部分光回弹，榆监测北点伐1火到监测呈点郑4童为边坡崭坡顶到牺坡脚依棕次向下牌取的点己，见摆图吴3变。由祸图毕12~倚1序5略可以分励析得出叛，在开疯挖过程提中，由白坡顶向栋坡脚，迹回弹量累呈由小当变大的伐规律，因开挖到革坡脚处疲时，变客形是最锦大的。伙同时可蜜以看出路，监测肾点汤4都在每一陡步开挖测中的位脑移值也颈几乎是瓣四个监顿测点中药最大的隙，最后滴一步开华挖完成身时位移次约溉为据45m液m步，见主图馒1较1栗，说明炒在边坡住卸荷影光响范围宜内，深恐处的卸凡荷回弹荐更明显副。承图绳8兴主应力管迹线偏征转箭Fig仆ure府8查Pri暴nci疏pal插st粥res盲st趣rac祖ed共efl益ect固ion判图醒9佳尽开挖完棚成最大被主应力任等值云境图厨纷Fig腔ure糟9M片axi臣mum扫pr饰inc射ipa崇l孔str谨ess热e摧qui焦val豆ent琴cl溪oud贼af旗ter蓄江exc布ava吸tio坝n蚕图炊1作0抓开挖完头成剪应牺力等值萍云图华Fig暴ure立10千She抚ars丹tre壳ss件e菠qui为val步ent滑cl藏oud扰af睬ter郊撇exc罗ava肤tio方n抱图劫11助裤开挖完吨成位移幅云图泪Fig泥ure愉11宾Dis攀pla扯yme类nt斑cl谅oud咏af资ter服曾exc吩ava种tio维n剖图失12朗社监测瞧点遥1忧位移图才Fig鹿ure偿12永Dis石pla教yme动nt突of锄m琴oni坚tor附ing对po乐int刻1耀图养13柳矩监测范点怖2肆位移图犹Fig鹿ure骗13瑞Dis娱pla宽yme膀nt秀of醉m踏oni店tor惯ing台po垮int义2纱图丛14缴蝶监测福点扛3析位移图宇Fig能ure电14炊Dis幼pla胸yme旨nt躺of捐m手oni汽tor展ing菜po够int逗3怖图谎15槐配监测骗点乖4卸位移图以Fig朋ure魂15眯Dis滨pla觉yme信nt校of扰m占oni恭tor希ing筹po碗int奏4竟4康障结论声本文是忍为了进融行抹X食X重滑坡变箭形破坏废过程及恩机制研陷究进行猴的基础出性研究笛，弄清妨楚滑坡利所处软稻硬互层死结构下侵，在河昼谷边坡独形成历丛史过程宾中的应挡力状态缺变化具牛有基础走性意义纠。作者错基织于退FLA帖C逢3D徒数值模著拟软件疲分析得揭出污:赏(1深)敏初始场岛中，垂夹直应钳力齐σ每v丈随深度括线性增旷加，增辉加梯度骨大致与魔岩体重紧度等同推；最大惜主应力荒方向主漆要受自效重应力毒影响，夸为垂直准方向，售最小主跃应力与射之正交遭；由于日边界效撒应，在职坡顶及锄两侧主贸应力迹融线略有茄异常现饶象；总劫体上，眠从边坡村表部到国坡体内果部最大均主应力态呈现逐谅渐增大斧的趋势碑，最大蝇约奥为每12M岩p荣a宿，最小外主应力捐值恰好胡相反。僚(2掌)局在下切爪过程中亩河谷边刑坡临空喘面附近雅发生了更应力分宅异，主眠要表现软为应力省重分布副与局部务的应力恐集中，怀主应力悦迹线在肚河谷边色坡临空教面附近价发生明跳显的偏伍转，越祝靠近临雨空面，微最大主才应力越驼与之平哪行，最纷小主应搬力则与职之正交掀；同时帜，最大希主应力衣由临空隔面向坡弯体内逐爱渐增大蔑，在临咬空面处慎达最大诚值莲约叠11.洗2Mp渔a虫，最小坝主应力阵则相反枕，由坡披体内向胆临空面末逐渐减宋小，在予临空面哗处接近腥为零。末（喜3妈）剪应竞力集中员带在河扣谷形成利过程由枕坡顶向找坡脚呈袜圆弧形会转移，恩最后在勇坡脚以摇下深度明约粘40~跌50兽m宣处形成肃一最高呢剪应力军集中区搞域，剪尘应力值棋最大铲约区6.8盼Mp奥a径。柳（艳4蓝）临空芒面附近另的卸荷察回弹表邪现为位砌移值的障变化，攻每一步虽开挖，舟坡体向低临空面航方向均票有部分骨回弹，肃在开挖绳过程中双，由坡蹦顶向坡秒脚，回烘弹量呈亦现由小穗变大的疗规律，窗坡脚处踩的变形量最大，挽同时，脑在边坡景卸荷影昌响范围阻内，深李处的卸田荷回弹塘更明显追。跳FLA死C3D薪柄N伏ume已ric部al乞S划imu递lat敢ion眨On旧D齿efo瘦rma腔tio抚n锈a糕nd把D绒est受ruc秋tio胞n观In验th保e戴P字roc秧ess权网O谜fi已nci浪sed奶va鸽lle晋y繁Abs蒜tra剃ct屠:T直his摇pa促per队co丽mbi恋nes浮th渐eg炸eol券ogi站cal钱en暮vir萍onm爷ent什of漆Xi令ang革shu艺pin嫁gl烧and惜sli驳de脱in呜gui热zho汪u,影usi逐ng音FLA丧C3D勇nu累mer挡ica湿la帐nal背ysi进ss垫oft碗war曲e,山sim拨ula甜te尼the协st像res雨s张cha岛nge狭sa阵nd生def牵orm欺ati著on惨fai逆lur挑ef目eat闻ure腰so浑f猪har味da敏nd凶sof晋ti贸nte卖rbe扰dr唉ock料du奴rin侄gt孟he挂pro劝ces利so检fi浸nci锐sin疏gv过all吧ey.梦Th岛ea逮nal云yse欧sh顿ows堵,i等nt他he辩ini疯tia终ls塔tat斯e钓,装si语gma岂v吗ver炎tic续al腾str岩ess坊is蛙co贝mpr轰ess进ive兵st杂res俊s,泳nea额rly段ho再riz史ont愚al耳par案all牲el债hie图rar恢chi映cal较di报str哑ibu泡tio砍n,震and阔al纸mos秀tl鸟ine婆ar猴inc昂rea脂ses岁fr个om四the诉to刘pt胶ot药he发dee悟p,步the并粪inc朝rea版sin砖gg法rad盾ien胞t敏is您rou缘ghl蔬y介the绍sa须me珍wit帽h蝴the姜爱ave章rag武e聚uni海tw俭eig场ht塑of扛ro歇ck利mas迅s;挣The争dir疮ect裤ion懂of昏max狸imu肝m棋pri脚nci咳pal迈st