河谷邊坡形成過程中變形破壞FLAC3D數(shù)值模擬

河谷邊坡形成過程中變形破壞FLAC3D數(shù)值模擬摘要：本文結(jié)合XX滑坡所處地質(zhì)環(huán)境，利用FLAC3D數(shù)值分析軟件，模擬軟硬互層斜坡在河谷邊坡形成過程中的應(yīng)力變化及變形破壞特征。分析得出，初始應(yīng)力場中，σv垂直應(yīng)力均為壓應(yīng)力，近水平平行分層分布，由坡頂向深部基本呈線性遞增，增加梯度大致與巖體平均重度等同；最大主應(yīng)力方向近垂直方向，隨深度線性遞增。隨河谷下切，河谷邊坡巖體在卸荷作用下引起內(nèi)部應(yīng)力重分布，局部應(yīng)力集中，最大主應(yīng)力跡線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，越接近臨空面越與之平行，最小主應(yīng)力則與之正交；坡體由于開挖卸荷，坡表回彈變形明顯，根據(jù)監(jiān)測點位移值，坡頂?shù)狡履_變形呈由小變大的趨勢。關(guān)鍵詞：FLAC3D；河谷邊坡；軟硬互層；變形破壞；數(shù)值模擬0引言天然斜坡或人工邊坡形成過程中，巖體內(nèi)部原有的應(yīng)力狀態(tài)將隨著過程的進(jìn)行而發(fā)生變化，引起應(yīng)力的重分布和應(yīng)力集中等效應(yīng)。斜坡巖體為適應(yīng)這種新的應(yīng)力狀態(tài)，將發(fā)生不同形式和不同規(guī)模的變形與破壞，斜坡變形破壞過程和它所造成的不良地質(zhì)環(huán)境可對人類工程活動帶來十分嚴(yán)重的危害，如滑坡、崩塌等的發(fā)生[1]。河谷邊坡形成過程中，由于河谷下切引起的卸荷回彈，將引起邊坡坡體的應(yīng)力分異及變形破壞，目前河谷下切過程的應(yīng)力場研究一般采用以實測地應(yīng)力資料為基礎(chǔ)的定性-半定量分析和數(shù)值分析兩種方法。由于可以處理復(fù)雜的邊界條件及材料的非均質(zhì)等問題,特別是近年來計算機(jī)硬件技術(shù)的快速發(fā)展以及一系列界面友好、計算能力強(qiáng)、操作簡單的分析軟件,如3D-σ、FLAC3D等的相繼推出,數(shù)值計算方法已經(jīng)成為河谷(巖土體)應(yīng)力場分析的最主要途徑。數(shù)值方法在研究特定巖體,特別是具有復(fù)雜邊界的計算對象時,具有明顯的優(yōu)勢,從采用的控制方程、計算過程及結(jié)果形式來看,數(shù)值法也是定量的,但是由于巖體結(jié)構(gòu)的高度復(fù)雜性及勘探精度的限制,參數(shù)只能近似取值,因此從本從質(zhì)上看,數(shù)值法仍然是定性的[2]。本文對于XX滑坡所處地質(zhì)環(huán)境的應(yīng)力場研究以及河谷邊坡形成過程中的變形破壞特征的研究，詣在為進(jìn)一步分析XX滑坡的地應(yīng)力環(huán)境及形成機(jī)制以及判斷滑坡發(fā)展階段進(jìn)行基礎(chǔ)性研究，同時，河谷邊坡最大主應(yīng)力大小及方向的探明與成坡過程中卸荷回彈水平的初步分析，對于弄清XX滑坡的形成過程緊密相關(guān)。1工程概況XX滑坡發(fā)生于約30年前，該滑坡位于XX省XX市XX縣XX鄉(xiāng)，地處XX省東北部，地理坐標(biāo)為北緯28°19′06.41″，東經(jīng)108°02′09.20″。據(jù)作者2012年4月、11月，2013年4月三次現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該滑坡目前變形特征明顯，主要表現(xiàn)為多處出現(xiàn)拉陷槽，并且在分布上具有規(guī)律性，走向均大致為SW-NE走向。該滑坡的變形乃至再次失穩(wěn)將影響到該地區(qū)24戶人家，153人的生命財產(chǎn)安全，故對其進(jìn)行研究具有實際意義?；潞缶壐叱碳s為962~980m左右，前緣高程870m，垂直高差約為100m，為緩傾外順層軟硬互層巖質(zhì)邊坡滑坡，基巖產(chǎn)狀約為300°~310°∠7°~10°?；路秶鷥?nèi)涉及的巖性，上部為下古生界志留系中下統(tǒng)韓家店群馬腳沖組、溶溪組中的黃綠、灰綠色頁巖，化石主要為腕足類，數(shù)量少，屬種單調(diào)，下部為下古生界志留系下統(tǒng)石牛欄組，以灰、深灰色中厚層至塊狀生物骨屑及介屑灰?guī)r為主，時具角礫狀及瘤狀構(gòu)造，偶夾泥質(zhì)灰?guī)r及鈣質(zhì)泥巖，富含珊瑚、腕足類及三葉蟲等化石[3]。在滑坡前緣以下，為石牛欄組與松坎組整合接觸，呈現(xiàn)厚層灰?guī)r與頁巖軟硬互層分布，最底部為深切河谷，滑坡后緣與河谷底高差約為280~300m，圖1為XX滑坡地質(zhì)環(huán)境示意。圖1XX滑坡地質(zhì)環(huán)境Figure1Geologicalenvironmentofxiangshupinglandsilde2FLAC3D簡介[4~6]FLAC3D（3-DFastLagrangianAnalysisCode)是由美國ITASCA公司開發(fā)的。目前FLAC有二維和三維計算程序兩個版本，F(xiàn)LAC3D是一個三維有限差分程序，是二維的有限差分程序FLAC的擴(kuò)展，能夠進(jìn)行土質(zhì)、巖石和其他材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性模擬和塑性流動分析。調(diào)整三維網(wǎng)格中的多面體單元來擬合實際的結(jié)構(gòu)，單元材料可采用線性或非線性本構(gòu)模型，在外力作用下，當(dāng)材料發(fā)生屈服流動后，網(wǎng)格能夠相應(yīng)發(fā)生變形和移動（大變形模式）。FLAC3D采用的顯式拉格朗日算法和混合-離散分區(qū)技術(shù)能夠非常準(zhǔn)確地模擬材料的塑形破壞和流動。由于無須形成剛度矩陣，因此，基于較小內(nèi)存空間就能夠求解大范圍的三維問題。FLAC3D有以下幾個優(yōu)點：（1）對模擬塑性破壞和塑性流動采用的是“混合離散法”。這種方法比有限元中通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確合理。（2）即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用了動態(tài)運(yùn)動方程，這使得FLAC3D在模擬物理上的不穩(wěn)定過程不存在數(shù)值上的障礙。（3）采用了一個“顯示解”方案。模擬大變形問題幾乎并不比小變形問題多消耗更多的計算時間，因為沒有任何剛度矩陣要被修改。FLAC3D做計算分析的一般步驟與大多數(shù)程序采用數(shù)據(jù)輸入方式不同，F(xiàn)LAC3D采用的是命令驅(qū)動方式。命令控制著程序的運(yùn)行，建立FLAC3D模型必須進(jìn)行三方面的工作：（1）有限差分網(wǎng)格；（2）本構(gòu)特性與材料性質(zhì)；（3）邊界條件與初始條件。完成上述工作后，可以獲得模型的初始平衡狀態(tài)，然后進(jìn)行工程開挖或改變邊界條件來進(jìn)行工程的響應(yīng)分析。3FLAC3D數(shù)值計算[7~13]3.1模型建立模型范圍：根據(jù)現(xiàn)場實際調(diào)查和已做出的剖面圖，選取穿越滑坡中部及近垂直河谷方向的典型剖面，建立地質(zhì)模型見圖2，在建立模型時，為了盡可能減小底部邊界約束對計算結(jié)果的影響，底部邊界離河谷谷底取約0.7倍的邊坡高度200m，在確立橫向邊界時，為了將整個邊坡包括在內(nèi)并盡量減小邊界影響，左側(cè)取河谷谷底處作為邊界，右側(cè)取至邊坡頂以外約40m處作為邊界，取長度方向左端點為坐標(biāo)原點，水平向右為x軸正方向，豎直向上為y軸正方向。模型在x方向長度為800m，y方向高度為480m，y方向高度由坐標(biāo)原點向上分別為下部谷底以下深度200m范圍，中部河谷邊坡高差160m，上部XX滑坡范圍高差120m。在CAD中繪制平面模型，導(dǎo)入ANSYS中拉伸Z方向50m厚建成三維模型，并網(wǎng)格化，利用ANSYS-FLAC3D接口程序，按照平面應(yīng)變建立計算模型，見圖3，其中模型長x寬x高=800mx50mx480m（計算范圍內(nèi)相應(yīng)的坐標(biāo)為：x方向為0~800m;y方向為0~480m;z方向為0~50m）。（2）巖性及本構(gòu)模型：模型最底層為厚層灰?guī)r，向上依次分層為頁巖、灰?guī)r、頁巖、灰?guī)r，以上全部為頁巖（XX滑坡以內(nèi)），XX滑坡前緣以下為軟硬互層巖體結(jié)構(gòu)，見圖2；計算模型采用巖土工程中應(yīng)用最為廣泛的Mohr-Coulomb彈塑性模型,該模型包含剪切和拉伸兩個準(zhǔn)則。（3）邊界條件及初始條件:下部固定約束，左右兩側(cè)法向約束,厚度方向前后側(cè)面法向約束，上坡面為自由邊界，全場自重應(yīng)力通過重力加速度g=9.81m/s2施加。（4）計算模型如圖3所示,經(jīng)過網(wǎng)格剖分,模型共有34112個單元,21663個節(jié)點。（5）如圖2所示，首先對模型進(jìn)行初始應(yīng)力場計算，計算完成，將位移恢復(fù)為零，然后分別按圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ的步驟進(jìn)行開挖模擬計算，每開挖一步計算一步，下一步計算開始前先將位移恢復(fù)為零，分析應(yīng)力場分布及位移變化。圖2地質(zhì)模型Figure2Geologicalmodel圖3計算模型Figure3Calculationmodel3.2巖體物理力學(xué)參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，XX滑坡主要由頁巖組成，前緣與石牛欄組整合接觸帶也有少量灰?guī)r，前緣至河谷底為灰?guī)r、頁巖軟硬互層結(jié)構(gòu)。巖體物理力學(xué)參數(shù)是綜合XX相近滑坡的鉆孔、探槽所取得試樣的物理力學(xué)試驗資料以及查閱相關(guān)規(guī)范，結(jié)合工程經(jīng)驗取得，見表1。表1巖體物理力學(xué)參數(shù)Table1Physicalandmechanicalparametersofrockmass巖體密度kg/m3彈性模量MPa泊松比黏聚力MPa內(nèi)摩擦角°抗拉強(qiáng)度MPa頁巖242018000.281.67302.4灰?guī)r267028000.242.5402.53.3計算分析（1）初始場分析邊坡工程數(shù)值計算中，初始地應(yīng)力場的模擬是必須首先關(guān)注的問題。數(shù)值模擬的初始地應(yīng)力場是否與實際地應(yīng)力場吻合較好，是決定邊坡工程數(shù)值模擬能否成功的基本條件。通常認(rèn)為，初始應(yīng)力場主要由巖體自重和地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力產(chǎn)生，其他影響因素如溫度產(chǎn)生的應(yīng)力在邊坡工程中往往忽略不計，而在該邊坡的地表淺覆層環(huán)境下，地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力很低，僅考慮巖體自重產(chǎn)生的應(yīng)力場，往往可以滿足計算的精度要求[10]。據(jù)黃潤秋等[9],垂直應(yīng)力σv隨深度線性增加，增加梯度大致與巖體重度等同：σv=γh=ρ平gh≈2500x10x480=12(Mpa），其中，ρ平為所取頁巖與灰?guī)r密度的大致平均值，理論計算值與初始場數(shù)值計算結(jié)果基本吻合，見圖4。由于以自重應(yīng)力為主，沒有考慮水平構(gòu)造應(yīng)力，最大主應(yīng)力方向主要受自重應(yīng)力影響，為垂直方向，最小主應(yīng)力與之正交，由于邊界效應(yīng)，在坡頂及兩側(cè)主應(yīng)力跡線略有異?，F(xiàn)象，總體上，從邊坡表部到坡體內(nèi)部應(yīng)力值呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這是因為越往坡體深部，對應(yīng)的上覆巖體的厚度越大，最大主應(yīng)力量值最大約為12Mpa，最小主應(yīng)力值恰好相反，見圖5~7。圖4初始場垂直應(yīng)力等值云圖Figure4Verticalstressequivalentcloudofinitialfield圖5最大主應(yīng)力等值云圖Figure5Maximumprincipalstressequivalentcloud圖6最小主應(yīng)力等值云圖Figure6Minimumprincipalstressequivalentcloud圖7主應(yīng)力跡線Figure7Principalstresstrace（2）河谷邊坡形成過程變形破壞特征分析初始計算完成，現(xiàn)對河谷邊坡形成的下切過程進(jìn)行模擬分析，下切分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ五級開挖的順序進(jìn)行，每開挖一步，分析河谷邊坡的應(yīng)力分布變化與變形破壞情況，分析得出：隨著下切，在河谷邊坡形成過程中，邊坡巖體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由于邊坡臨空面附近的應(yīng)力重分布及應(yīng)力集中作用，變得復(fù)雜。由于河谷邊坡臨空面的形成，使得附近原來處于應(yīng)力平衡狀態(tài)的邊坡體遭受臨空面附近局部卸荷的影響，發(fā)生邊坡體向臨空方向的膨脹回彈，主應(yīng)力跡線也發(fā)生明顯的變化，具體表現(xiàn)為：1）主應(yīng)力跡線在河谷邊坡臨空面附近發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，越靠近臨空面，最大主應(yīng)力越與之平行，最小主應(yīng)力則與之正交，見圖8；2）最大主應(yīng)力表現(xiàn)為由臨空面向坡體內(nèi)逐漸增大，在臨空面處達(dá)最大值約11.2Mpa，最小主應(yīng)力則相反，由坡體內(nèi)向臨空面逐漸減小，在臨空面處接近為零，見圖9；3）在下切初期（第一步開挖）臨空面坡腳出現(xiàn)剪應(yīng)力集中，隨繼續(xù)下切，剪應(yīng)力集中區(qū)由坡腳呈圓弧形向坡體左下側(cè)轉(zhuǎn)移，最后在邊坡坡腳下約40~50m深度處形成一大范圍剪應(yīng)力集中區(qū)域，剪應(yīng)力值最大約6.8Mpa，見圖10；4）臨空面附近的卸荷回彈表現(xiàn)為位移值的變化，每一步開挖，坡體向臨空面方向均有部分回彈，監(jiān)測點1到監(jiān)測點4為邊坡坡頂?shù)狡履_依次向下取的點，見圖3。由圖12~15可以分析得出，在開挖過程中，由坡頂向坡腳，回彈量呈由小變大的規(guī)律，開挖到坡腳處時，變形是最大的。同時可以看出，監(jiān)測點4在每一步開挖中的位移值也幾乎是四個監(jiān)測點中最大的，最后一步開挖完成時位移約為45mm，見圖11，說明在邊坡卸荷影響范圍內(nèi)，深處的卸荷回彈更明顯。圖8主應(yīng)力跡線偏轉(zhuǎn)Figure8Principalstresstracedeflection圖9開挖完成最大主應(yīng)力等值云圖Figure9Maximumprincipalstressequivalentcloudafterexcavation圖10開挖完成剪應(yīng)力等值云圖Figure10Shearstressequivalentcloudafterexcavation圖11開挖完成位移云圖Figure11Displaymentcloudafterexcavation圖12監(jiān)測點1位移圖Figure12Displaymentofmonitoringpoint1圖13監(jiān)測點2位移圖Figure13Displaymentofmonitoringpoint2圖14監(jiān)測點3位移圖Figure14Displaymentofmonitoringpoint3圖15監(jiān)測點4位移圖Figure15Displaymentofmonitoringpoint44結(jié)論本文是為了進(jìn)行XX滑坡變形破壞過程及機(jī)制研究進(jìn)行的基礎(chǔ)性研究，弄清楚滑坡所處軟硬互層結(jié)構(gòu)下，在河谷邊坡形成歷史過程中的應(yīng)力狀態(tài)變化具有基礎(chǔ)性意義。作者基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件分析得出:(1)初始場中，垂直應(yīng)力σv隨深度線性增加，增加梯度大致與巖體重度等同；最大主應(yīng)力方向主要受自重應(yīng)力影響，為垂直方向，最小主應(yīng)力與之正交；由于邊界效應(yīng)，在坡頂及兩側(cè)主應(yīng)力跡線略有異常現(xiàn)象；總體上，從邊坡表部到坡體內(nèi)部最大主應(yīng)力呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，最大約為12Mpa，最小主應(yīng)力值恰好相反。(2)在下切過程中河谷邊坡臨空面附近發(fā)生了應(yīng)力分異，主要表現(xiàn)為應(yīng)力重分布與局部的應(yīng)力集中，主應(yīng)力跡線在河谷邊坡臨空面附近發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，越靠近臨空面，最大主應(yīng)力越與之平行，最小主應(yīng)力則與之正交；同時，最大主應(yīng)力由臨空面向坡體內(nèi)逐漸增大，在臨空面處達(dá)最大值約11.2Mpa，最小主應(yīng)力則相反，由坡體內(nèi)向臨空面逐漸減小，在臨空面處接近為零。（3）剪應(yīng)力集中帶在河谷形成過程由坡頂向坡腳呈圓弧形轉(zhuǎn)移，最后在坡腳以下深度約40~50m處形成一最高剪應(yīng)力集中區(qū)域，剪應(yīng)力值最大約6.8Mpa。（4）臨空面附近的卸荷回彈表現(xiàn)為位移值的變化，每一步開挖，坡體向臨空面方向均有部分回彈，在開挖過程中，由坡頂向坡腳，回彈量呈現(xiàn)由小變大的規(guī)律，坡腳處的變形最大，同時，在邊坡卸荷影響范圍內(nèi)，深處的卸荷回彈更明顯。FLAC3DNumericalSimulationOnDeformationandDestructionIntheProcessOfincisedvalleyAbstract:ThispapercombinesthegeologicalenvironmentofXiangshupinglandslideinguizhou,usingFLAC3Dnumericalanalysissoftware,simulatethestresschangesanddeformationfailurefeaturesofhardandsoftinterbedrockduringtheprocessofincisingvalley.Theanalyseshows,intheinitialstate,sigmavverticalstressiscompressivestress,nearlyhorizontalparallelhierarchicaldistribution,andalmostlinearincreasesfromthetoptothedeep,theincreasinggradientisroughlythesamewiththeave