FLAC3D在边坡中的应用分析

2022-09-10

随着电子计算机的广泛使用, 解决工程地质问题的数值模拟理论和方法发展迅速, 工程地质数值方法的不断成熟和完善, 使得解决的工程地质问题更加广泛, 研究的课题更加深入。一方面, 飞速发展的工程地质学不断地提出新的难题, 用现成的数学、力学理论对其无法作出确切的描述, 工程地质数值方法为解决这类问题提供了可能的手段;另一方面, 各种数值方法的不断成功应用, 深化了人们对许多工程地质现象的理解, 并有力地推动了工程地质学科的定量化进程[1]。

FLAC3D是由P.A.Cudall提出的以美国明尼苏达软件公司 (Itasca Consulting Group Inc) 开发的三维快速拉格朗日法为分析程序, 应用于岩土工程力学计算。三维快速拉格朗日法是一种基于显示有限差分法的面向工程力学问题计算的数值分析方法。FLAC3D可以模拟岩土结构与多种结构支护元件的相互作用。这使研究被支护面开挖结构的稳定性和位于结构表面岩土的不稳定性的影响成为可能[2]。国内于20世纪90年代初才引进该软件, 主要应用于工程地质和岩土力学分析, 如矿体滑坡、煤矿开采沉陷预测、水利枢纽岩体稳定性分析、采矿巷道稳定性研究等。

FLAC软件的设计的基本算法即是拉格朗日差分法, 是一种利用拖带坐标系分析大变形问题的数值方法, 并利用差分格式按时步积分求解。对于某一个结点而言, 在每一时刻它受到来自其周围区域的合力的影响。如果合力不等于零, 结点就会失稳而产生运动, 从而可以在一个时步中求得速度和位移的增量。对于每一个区域而言, 可根据其周围结点的运动速度求得它的应变率, 然后根据材料的本构关系求得应力的增量。由应力增量求出t和t+⊿t时刻各个结点的不平衡力和各个结点在t+⊿t时的加速度、积分加速度, 即可求出结点新的位移值, 从而计算出各结点新的坐标值[3]。同时, 由于物质的变形, 网格单元发生局部的平均整旋或整旋, 只要计算出相应的应力改正值, 通过应力叠加即可得到新的应力值。以此作为一个计算循环, 按步骤依次下一循环计算, 直至问题收敛。FLAC程序采用最大不平衡力来刻划FLAC计算的收敛过程。如果单元的最大不平衡力随着时步增加而逐渐趋于极小值, 则计算是稳定的;否则, 计算就是不稳定的。

岩土工程问题包含力学、流体流动、热传导等广泛的物理过程。FLAC程序可以模拟这些运动的单个过程, 也可模拟它们之间的耦合作用[4]。具体来讲, FLAC程序可用于下列岩土工程问题的研究:边坡稳定和基础设计中的承载能力及变形分析;隧道、矿山巷道等地下工程的变形与破坏分析;隧道等地下工程衬砌、岩石锚杆、锚索、土钉等支护结构的分析;隧道及采矿工程中的动力作用与震动分析;基础与大坝由于振动或变化的孔隙压力作用发生的液化现象分析;地下高放射性废料储存库由于热作用产生的变形与稳定问题。

1 FLAC3D在边坡中的应用分析

计算模型分别如图1、2所示, 边坡倾角分别为30°、60°, 岩土体参数为:

密度ρ=25k N/m3, 弹性模量E=1×108Pa, 泊松比μ=0.32, 抗拉强度σt=0.8×106Pa, 内聚力C=4.2×104Pa, 摩擦角φ=17°, 膨胀角Δ=20°。

试用FLAC3D软件建立单位厚度的计算模型, 并进行网格剖分, 参数赋值, 设定合理的边界条件, 利用FLAC3D软件分别计算不同坡角情况下边坡的稳定性, 并进行结果分析。

换算公式:

此次用flac3d程序计算二种不同坡角情况下边坡的稳定性 (计算结果见后图3, 4) 。

1.1 倾角为3 0°的边坡, 见图3

1.2 倾角为6 0°的边坡, 见图4

2 影响数值模拟结果的主要因素

在利用数值模拟方法解决工程地质问题的过程中, 第一步往往是工程地质条件的调研, 工程地质条件的查明是工程地质也是数值分析的基础和前提。岩土体物理力学参数的测试, 与地质体本构关系相关的地质条件的查明是本阶段不可忽视的工作。还有其它的工作步骤, 地质模型的抽取、力学模型的建立、模拟结果的检验都是一个整体, 它们对数值的精度和结果都很大[1]。

工程地质数值方法是解决工程地质问题的一种手段, 它的正确与否在很大程度上取决于对工程地质条件的研究, 而且必须通过工程地质实践加以检验。

首先, 地质体是在漫长地质历史时期形成的复杂体系, 它不仅表现在岩性的复杂多变, 还表现在地质结构面的千差万别, 而且这些因素随着时间和空间都在不断变化着。因此, 通过理论的本构关系和计算模型来模拟这种复杂的过程与现象就不可避免地存在着偏差。

同时还应当看到, 人们对地质体的认识仍在不断深化和发展着, 有一些问题目前仍不能很好地认识和解决。如对与时间有关的变形和断裂现象仍在不断地探索之中, 如果对与之相关的数值模拟期望过高是不切合实际的。

再者, 计算参数的选取在很大程度上决定了计算结果的精确程度。由于计算参数的随机性和不确定性, 它们的选取就成为工程地质数值分析中的关键问题之一。因此, 对输入参数必须进行适当的统计处理, 从概率分析和可靠性分析的角度提供计算参数。

模型乃是实体简化而不失真的摹体。一般认为, 当模拟结果以一定的精度再现, 并与观测数据系列或现象类似时, 便认为模型结果良好, 但一定要注意问题的多解性, 不注意问题的多解性常常是数值计算失误的重要原因[1,5]。

受主观直觉的引导, 或对模型本身缺乏实质性的认识, 在实际资料的处理, 边界条件、初始条件的确定等方面往往就会偏离实际, 这将会导致建立一个歪曲问题本质的地质或力学数学模型。因此, 在工程地质数值分析中, 模型的正确建立是至关重要的一步。

3 结语

影响斜坡稳定性的因素有很多, 主要包括岩土类型和性质、岩体结构及地质构造、地形地貌条件、水的作用和地震活动等。其中地形地貌条件对斜坡的稳定性影响显著。

坡形对斜坡稳定性的影响主要体现在不同坡形对斜坡应力分布的影响上。坡高、坡角、坡低宽度和斜坡平面形态等对斜坡应力分布均有一定影响。

从计算结果可以看出, 坡角大小可以改变斜坡中应力的分布图像。坡脚附近的剪应力集中带和坡肩附近的张力带, 其范围和受力值是随着坡角的增大而增大的。也就是说, 坡角越大, 坡形越陡的斜坡更容易发生破坏。

从区域地形地貌条件看, 斜坡变形破坏主要集中发育在山地环境中, 尤其在河谷切割强烈的峡谷地带。我国由于晚近地质时期大洋板块和大陆板块相互作用和制约, 西部挤压隆起, 东部拉张陷落, 形成了西高东低的台阶状地形, 可以明显地划分出三个台阶。处于两个台阶转折地带的边缘山地, 山谷狭窄, 高耸陡峻, 底面高差悬殊, 因此斜坡变形破坏现象十分发育。

摘要：FLAC3D是以拉格朗日差分法为基础的一种数值模拟软件, 近几年该软件已经广泛应用于工程领域, 结合不同坡度的边坡, 用FLAC3D进行了稳定性分析计算。结果表明, 采用FLAC3D对边坡稳定计算是可行的, 而FLAC程序与其他计算方法相比, 具有编程简单, 便于工程技术人员掌握及现场应用, 可解决大变形问题。

关键词：FLAC3D软件,稳定性分析,数值模拟,边坡