【《某滑坡工程滑坡稳定性计算过程案例概述》7900字】

某滑坡工程滑坡稳定性计算过程案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u17281某滑坡工程滑坡稳定性计算过程案例概述 180791.1FLAC3D数值方法介绍 194981.1.1FLAC3D简介 1260571.1.2FLAC3D计算的数学力学原理 152391.2三维数值模型的建立及应力应变分析 4184731.2.1边坡模型参数选取 4307331.2.2未削坡边坡模型在不同工况下的数值模拟分析 5104681.2.3削坡未治理边坡模型在不同工况下的数值模拟分析 13124221.2.3削坡并治理边坡模型在不同工况下的数值模拟分析 201.1FLAC3D数值方法介绍1.1.1FLAC3D简介FLAC(

Fast

Lagrangian

Analysis

of

Continua)是由美国

ITASCA国际集团公司(Itasca

International

Inc.)研发推出的连续介质力学分析软件，是该公司旗下最知名的软件系统之一。FLAC目前已在全球七十多个国家得到广泛应用,在国际土木工程(尤其是岩土工程)学术界和工业界享有盛誉。程序算法的起源可以追湖到20世纪6年代,距今已经有近60年历史。FLAC3D核心开发者为离散元之父Peter

Cundall博士,目前是美国工程院院士和英国工程院院士。在世界范围内,FLAC/FLAC3D已经成为岩土工程及相关行业数值模拟的主流产品,在边披、基坑、隧道、地下洞室、采矿、能源及核废料存储等领域得到广泛的应用。软件可以计算岩土体在各种外荷载作用下产生的变形、应力、稳定性,尤其擅长计算岩土体破坏后的大变形和峰后特性等问题。同时,在非线性动力计算、本构模型二次开发和多场耦合等方面,软件也提供了专业的解决方案。20世纪90年代,我国部分高校和科研院所开始引进该软件,目前该软件已经逐渐成为岩土工程界影响最为深远的专业软件之一。1.1.2FLAC3D计算的数学力学原理（一）显式有限差分法在有限差分法中、一般将微分方程的基本方程组和边界条件都近似地改用差分方程(代数方程)来表示,即:由空间离散点处的场变量(应力、位移)的代数表达式代替。这些变量在单元内是非确定的,从而把求解微分方程的问题改换成求解代数方程的问题。相反・有限元法则需要场变量(应力、位移)在每个单元内部按照某些参数控制的特殊方程产生变化。公式中包括调整这些参数以减小误差项和能量项。有限差分法和有限元法都产生一组待解方程组。尽管这些方程是通过不同方式推导出来的,但两者产生的方程是一致的。另外,有限元程序通常要将单元矩阵组合成大型整体刚度矩阵,而有限差分则无需如此,因为它相对高效地在每个计算步距重新生成有限差分方程。在有限元法中,常采用隐式、矩阵解算方法・而有限差分法则通常采用“显式”时间递步法解算代数方程。弹性力学中的差分法是建立有限差分方程的理论基础。首先对求解区域进行剖分,取正整数M和N，ℎ=LM为空间步长，τ=TN为时间步长，用两簇平行直线x=xi，0≤i≤M和t=tk，0≤k≤N将Ω分割成长方形网络，引入网格节点：（xi，tk）,用uik表示函数u(x,t)在节点（xi定义uik为方程在网格点（xi，t定义二阶中心差分算子和一阶差分算子。在点（xi，t；（1.1）；（1.2）；（1.3）；（1.4）将（1.3）和（1.4）相减然后除以h，可得；（1.5）令，结合（1.1），（1.2）和（1.5）可得其中。整理上述个方程可得显式差分格式为（1.6）对于，当时，其显示格式是稳定的，截断误差为。（二）强度折减法随着计算机性能的不断提高,采用强度折减技术进行边坡的稳定性分析逐渐成为数值模拟及实际工程研究的重点。结合有限差分法的强度折减法较传统的方法具有以下优点：(1)能够对具有复杂地形、地质的边坡进行计算；(2)考虑了岩土体的本构关系,以及变形对应力的影响；(3)能够模拟边坡的破坏过程及其滑移面形状(通常由剪应变增量或者位移增量确定滑移面的形状和位置)；(4)能够模拟岩土体与支护结构(超前支护、错杆、错索、土钉等)的共同作用;(5)求解安全系数时,不需要假定滑移面的形状,也无需进行条分。强度折减法中边坡稳定的安全系数定义为:使边坡刚好达到临界破坏状态时,对岩土体的抗剪强度进行折减的程度,即定义安全系数为岩土体的实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值。强度折减法通常应用于安全系数的计算,它是通过逐步减小材料的强度使边坡达到极限平衡状态来实现的。对于

Mohr-coulomb破坏准则来说,安全系数F根据下面的方程来定义:（1.7）（1.8）式（1.7）和（1.8）中：为折减后的粘聚力；为粘聚力；为折减后的内摩擦角；为内摩擦角；为折减系数。调整岩土体强度指标黏聚力和内摩擦角,然后对边坡稳定性进行数值分析,通过不断增加折减系数,进行一系列的计算直至边坡达到临界破坏状态,这时候得到的折减系数即为安全系数F。1.2三维数值模型的建立及应力应变分析1.2.1边坡模型参数选取（1）岩土物理力学参数表1.1边坡岩土层模型参数层号岩土名称天然重度饱和重度天然状态饱和状态锚固体与地层粘结强度（KPa）(g/cm3)(g/cm3)C（kPa）φ（°）C（kPa）φ（°）①素填土（18.0）（18.5）/////②粉质粘土17.919.0（45.2）（15.5）30.211.0（80）③强风化砾岩（19.0）（19.5）（15.0）（27.0）（10.0）（25.0）（110）④中风化砾岩（23.0）（21.0）//（2665）（46.3）（900）（2）土石可挖性分级根据相关规范，对本场地岩土层进行土石可挖性分级如表5-2。表1.2土石可挖性分级层号岩土名称主要工程地质特征土石等级①素填土中压缩性低强度、非均质Ⅱ②粉质粘土中高压缩性低强度、非均质Ⅱ③-1强风化砾岩中压缩性低强度、非均质Ⅳ③-2中风化砾岩中高强度基岩Ⅵ1.2.2未削坡边坡模型在不同工况下的数值模拟分析根据图3.5的典型剖面，建立FLAC3D边坡模型，如图1.1所示。研究边坡最大高程约为21.81m，最小高程约为13.92m，边坡累计长度约为21.5m。图1.1边坡治理前FLAC3D模型研究边坡未削坡时的地层共分为四层，其中1为填土，对应模型中红色部分；2为粉质黏土，对应图中绿色部分；3-1为强风化泥质粉砂岩，对应图中蓝色部分；3-2为中风化粉砂岩，对应图中青色部分。研究边坡下半部分存在一处挡土墙，对应图中紫色部分。（一）自然工况图1.2边坡地应力分布模型地应力初始方向向下，根据研究边坡的平均体积来计算，研究边坡未削坡时的地应力分布模型如图1.2所示。最上层的松散填土，地应力向上且近似为零，基本可以忽略。越向下地应力越大，在坡顶向下约20m（海拔约6m）处，地应力达到最大，数值约为7.1038×105Pa。图1.3边坡总位移分布模型研究边坡的位移模型如图1.3所示。最大位移发生在坡顶向下约5m—15m的部分，最大位移量为2.3733×10−2m。由此向两端及向下位移量逐渐减小。从坡顶地表向下约5m处，岩土已经基本不会发生位移。挡土墙处位移较小，能够起到挡土防滑的作用。图1.4边坡竖向应力分布模型根据边坡的平均体积来计算，研究边坡未削坡时的竖向应力分布模型如图1.4所示。地表出露部分的竖向应力最小，最小值为3.1275×102Pa。越向下竖向应力大小越大。在距坡顶0—10m，地下埋深15m—20m（海拔约6m）处的竖向应力最大，最大可达1.2756图1.5边坡竖向位移研究边坡未削坡时的竖向位移模型如图1.5所示。位移趋势为：从坡体中部向坡体两端位移逐渐变小，从地表向地底位移逐渐变小。最大位移发生在坡顶向下约5m—15m的部分，最大位移量为1.8649×10图1.6边坡水平应力分布模型根据边坡的平均体积来计算，研究边坡未削坡时的水平应力分布模型如图1.6所示。地表至埋深2m处，水平应力近似为0。越向下水平应力越大，在距坡顶0—5m，地下埋深15m—20m（海拔6m左右）处水平应力达到最大，最大水平应力为1.4074×10图1.7边坡水平位移分布模型研究边坡未削坡时的水平位移模型如图1.7所示。挡土墙顶部填土向外扩散，水平位移量最大，最大为1.8031×10−2m。距坡顶10m—15m处水平位移相对较大，可达1.5000×10（二）暴雨工况图1.8边坡平均地应力分布模型地应力初始向下压，根据研究边坡的平均体积来计算，研究边坡未削坡时的地应力分布模型如图1.8所示。最上层的松散填土，地应力近似为零，基本可以忽略。越向下地应力越大，在坡顶向下约20m（海拔约6m）处，地应力达到最大，数值约为7.1031×10图1.9边坡总位移分布模型研究边坡的位移模型如图1.9所示。最大位移发生在坡顶向下约5m—15m的部分，最大位移量为2.8477×10图1.10边坡竖向应力分布模型研究边坡未削坡时的竖向应力分布模型如图1.10所示。地表出露部分的竖向应力最小，最小值为2.7174×102Pa。越向下竖向应力大小越大。在距坡顶0—10m，地下埋深15m—20m（海拔约6m）处的竖向应力最大，最大可达1.2752图1.11边坡竖向位移分布模型研究边坡未削坡时的竖向位移模型如图1.11所示。位移趋势为：从坡体中部向坡体两端位移逐渐变小，从地表向地底位移逐渐变小。最大位移发生在坡顶向下约5m—15m的部分，最大位移量为2.1598×10图1.12边坡水平应力分布模型研究边坡未削坡时的水平应力分布模型如图1.12所示。地表至埋深2m处，水平应力近似为0。越向下水平应力越大，在距坡顶0—5m，地下埋深15m—20m（海拔6m左右）处水平应力达到最大，最大水平应力为1.4073×10图1.13边坡水平位移分布模型研究边坡未削坡时的水平位移模型如图1.13所示。挡土墙顶部填土向外扩散，水平位移量最大，最大为2.2736×10−2m。距坡顶13m—14m处水平位移相对较大，可达2.0000由以上分析可得，研究边坡削坡之前在自然状态下和暴雨状态下的位移量均较小，在边坡工程位移监测规范的允许值范围内。根据计算可得，研究边坡天然状态下的安全系数为1.383，暴雨状态下的安全系数为1.314，均处于《建筑边坡工程技术规范》中规定的边坡稳定性安全系数的规范标准内。由此可见，研究边坡在未削坡时处于较为安全稳定的状态。挡土墙能够起到防止边坡产生滑坡坍塌的作用。1.2.3削坡未治理边坡模型在不同工况下的数值模拟分析根据实际工程需要，按照燕子矶8路公交场站的建设规划要求，场地向下进行开挖，下挖深度0.5—2m不等，届时开挖也将影响坡脚挡土墙的稳定。根据图3.7，研究地区削坡治理后坡面剖面图所示，运用FLAC3D建立模型，如图1.14所示。研究边坡削坡后的最大高程约为21.81m，最小高程约为13.92m，边坡累计长度约为21.5m。图1.14边坡削坡后FLAC3D模型研究边坡地层共分为四层，其中1为填土，对应模型中红色部分；2为粉质黏土，对应图中绿色部分；3-1为强风化泥质粉砂岩，对应图中蓝色部分；3-2为中风化粉砂岩，对应图中青色部分。（一）自然工况图1.15平均应力分布模型地应力初始方向向下，在天然状态下，研究边坡削坡后未进行治理的地应力分布模型如图1.15所示。最上层的松散填土和粉质黏土地应力近似为零，基本可以忽略。越向下地应力越大，在坡顶向下约20m（海拔约6m）处，地应力达到最大，最大主应力可达7.0523×10图1.16边坡总位移分布模型在天然状态下，研究边坡削坡后未进行治理的总位移分布模型如图1.16所示。最大位移为6.3014×10图1.17边坡竖向应力分布模型削坡后边坡的竖向应力分布模型如图1.17所示。地表出露部分竖向应力近似为0，基本可以忽略。越向下竖向应力大小越大。在距坡顶0—5m，地下埋深15m—20m（海拔约6m）处的竖向应力最大，最大可达1.2479×10图1.18边坡竖向位移分布模型削坡后边坡的竖向位移分布模型如图1.18所示。竖向位移集中分布在距坡顶3m—20m，埋深0—8m处，其余部分竖向位移近似为0。最大位移发生在距坡顶6m—8m，埋深0—2m处，最大位移为3.9135×10图1.19边坡水平应力分布模型削坡后边坡的水平应力分布模型如图1.19所示。地表至埋深2m处，水平应力近似为0。越向下水平应力越大，在距坡顶0—5m，地下埋深17m—20m处水平应力达到最大，最大水平应力为1.3939×10图1.20边坡水平位移分布模型削坡后边坡的水平位移分布模型如图1.20所示。水平位移集中分布在距坡顶3m—20m，埋深0—8m处，其余部分竖向位移近似为0。其中最大位移发生在距坡顶15m—19m处，最大水平位移量为5.8287×10−1m。由此向两边，位移量逐渐减少。（二）暴雨工况图1.21平均地应力分布模型地应力初始方向向下，在暴雨状态下，研究边坡削坡后未进行治理的地应力分布模型如图和图1.21所示。最上层的松散填土和粉质黏土地应力近似为零，基本可以忽略。越向下地应力越大，在坡顶向下约20m（海拔约6m）处，地应力达到最大，最大主应力可达7.0524×10图1.22边坡总位移分布模型在暴雨状态下，研究边坡削坡后未进行治理的总位移分布模型如图1.22所示。最大位移为9.8615×10图1.23.边坡竖向应力分布模型削坡后边坡的竖向应力分布模型如图1.23所示。地表出露部分竖向应力近似为0，基本可以忽略。越向下竖向应力大小越大。在距坡顶0—5m，地下埋深15m—20m（海拔约6m）处的竖向应力最大，最大可达1.2480×10图1.24边坡竖向位移分布模型削坡后边坡的竖向位移分布模型如图1.24所示。竖向位移集中分布在距坡顶3m—20m，埋深0—8m处，其余部分竖向位移近似为0。最大位移发生在距坡顶6m—8m，埋深0—2m处，最大位移为6.1288×10图1.25边坡水平应力分布模型削坡后边坡的水平应力分布模型如图1.25所示。地表至埋深2m处，水平应力近似为0。越向下水平应力越大，在距坡顶0—5m，地下埋深17m—20m处水平应力达到最大，最大水平应力为1.3939×10图1.26边坡水平位移分布模型削坡后边坡的水平位移分布模型如图1.26所示。水平位移集中分布在距坡顶3m—20m，埋深0—8m处，其余部分竖向位移近似为0。其中最大位移发生在距坡顶15m—19m处，最大水平位移量为9.1273×10由以上分析可得，研究边坡削坡之后未进行治理时在自然状态下和暴雨状态下的位移量均较大，超出了边坡工程位移监测规范的允许值范围。根据计算可得，研究边坡削坡之后未进行治理时天然状态下的安全系数为1.017，暴雨状态下的安全系数为0.963，均未达到《建筑边坡工程技术规范》中规定的边坡稳定性安全系数的规范标准。由此可见，研究边坡削坡之后未进行治理时处于失稳状态，存在一定的滑坡隐患，急需进行一定的防止措施。1.2.3削坡并治理边坡模型在不同工况下的数值模拟分析由于边坡处于失稳状态，故对边坡进行治理。综合考虑该边坡特征、地层结构及岩土性状等因素，建议对该潜在滑坡运用锚杆支护方式进行治理防护，具体方法如下：于整个坡面选用锚杆+格构护坡的方式对坡面进行加固，格构设置于坡面上，锚杆采用全长粘结型普通砂浆锚杆，锚固段长度根据设计计算确定且不小于4m。格构梁采用井字形布置，横梁和纵梁节点处与锚杆相焊接，使锚杆格构成为整体结构，格构梁采用C30钢筋混凝土结构，并于坡脚设置一道地梁。再次运用FLAC3D，建立研究边坡坡进行锚杆支护后的边坡模型，如图1.27所示。边坡高程及累计长度均与削坡后的边坡相同。图1.27削坡并进行锚杆支护后的边坡模型研究边坡地层共分为四层，其中1为填土，对应模型中红色部分；2为粉质黏土，对应图中绿色部分；3-1为强风化泥质粉砂岩，对应图中蓝色部分；3-2为中风化粉砂岩，对应图中青色部分。Cable为锚杆模型，对应图中黄色部分。Shell为锚杆支护的边坡坡面部分，对应图中深绿色部分。（一）自然工况图1.28平均地应力分布模型地应力初始方向向下，在天然状态下，研究边坡削坡并进行锚杆支护处理后的平均地应力分布模型如图1.28所示。最上层的松散填土和粉质黏土地应力近似为零，基本可以忽略。越向下地应力越大，在坡顶向下约20m（海拔约6m）处，地应力达到最大，最大主应力可达7.0580×10图1.29边坡总位移分布模型在天然状态下，研究边坡削坡并进行锚杆支护处理后的总位移分布模型如图1.29所示。最大位移为5.5975×10图1.30边坡竖向应力分布模型治理后边坡的竖向应力分布模型如图1.30所示。地表出露部分竖向应力最小，最小为1.8806×102Pa。越向下竖向应力大小越大。在距坡顶0—5m，地下埋深15m—20m（海拔约6m）处的竖向应力最大，最大可达1.2518图1.31边坡竖向位移分布模型治理后边坡的竖向位移分布模型如图1.31所示。竖向位移集中分布在距坡顶3m—20m，埋深0—5m处。最大位移发生在距坡顶6m—8m，埋深0—2m处，最大位移为2.0331×10−3m。向两边位移逐渐减小。坡脚处附近有向上隆起的倾向，最大位移量为5.5429图1.32边坡水平应力分布模型治理后边坡的水平应力分布模型如图1.32所示。地表至埋深2m处，水平应力近似为0。越向下水平应力大小越大，在距坡顶0—5m，地下埋深17m—20m（海拔约6m）处水平应力达到最大，最大水平应力为1.3946×10图1.33边坡水平位移分布模型削坡后边坡的水平位移分布模型如图1.33所示。水平位移集中分布在距坡顶3m—20m，埋深0—5m处。其中最大位移发生在距坡顶15m—19m处，最大水平位移量为1.5164×10（二）暴雨工况图1.34平均地应力分布模型地应力初始方向向下，根据研究边坡的平均体积来计算，在暴雨状态下，研究边坡削坡并进行锚杆支护处理后的平均地应力分布模型如图1.34所示。最上层的松散填土和粉质黏土地应力近似为零，基本可以忽略。越向下地应力越大，在坡顶向下约2