基于FLAC3D的边坡稳定性应力分析

刘晨阳

刘晨阳

吉林大学建设工程学院工程地质系长春130026

1工程概况

本次研究的区域在西部、东部、北部均为河谷，高程约为101~104米，三级阶地下侧分布有二级阶地、一级阶地及河漫滩。因而原始地形由东往西逐渐降低，自然坡度在8~30左右，往北山脊高程逐渐降低，由153.1米降至128米。

1.1工程地质岩组

（1）地层

滑坡体及其所处山脊地层由老至新分布为：1.古生界二叠系下统柯岛组(P1K2)，由柯岛组中的上亚组杂色凝灰质砂岩组成，是本次滑坡研究区内最老的地层。2.新生界第四系更新统（Qp2nl），由卵石夹粗砂层组成。3.第四系全新统Ｑh，由残坡积层组成,其下部为基岩风化物，上部有少量耕植土该层厚度仅0~2m，主要分布于山脊及山坡上。

（2）工程地质岩组

削坡前对滑坡按岩性将其分为三个组，其中第一岩性组为滑坡地下水位以上的二叠纪柯岛组凝灰质砂岩层，第二岩性组为地下水位以下饱水二叠纪柯岛组凝灰质砂岩层，第三岩性组为花岗岩层。

（3）地质构造

山脊三级阶地下分布的二级阶地、一级阶地及河漫滩，自然坡度在8~30左右，往北山脊原始坡度较小，为8~20左右。但自然坡度较缓，约为8~10左右。杂色凝灰质砂岩倾向北东，倾角在14°~22°左右。研究区内主要分布有断层F1、F2及F3（NW60°~NW88°间），其中F1及F2走向均为SE145°,近于平行，倾角约60°~70°，倾向SW。F2断层带宽约11m，断层带内充填断层泥及破碎角砾，断层泥多呈深灰黑色，强度极低，断裂带内具有大量的水平向擦痕，断层泥呈极光亮镜面。在F１通过路基部位，形成了滑坡体的最深滑动面。F1断层带宽约10m，其下盘主要为深部相花岗岩分布。对滑体内岩体进行了节理裂隙统计后，发现在区域内有两组节理较为发育，一组倾向为NE，倾角约30°，另一组倾向SW，倾角约17°。该两组节理对滑体内上层滑面具有控制作用。

2计算模型、约束条件和初始条件

本次使用FLAC3D[1][2][3]模拟的边坡以顺着岩层倾向为X，长度为150m；以顺着边坡走向为Y方向，宽度为50m，其中Z方向为边坡垂直最大高度43m。根据研究区域的地层及地质状况，将其分为三层。因此该模型的长、宽、高尺寸分别为为150、50、43m。根据地层，将研究区从上到下分为三个大层次，分别为本次滑坡地层花岗岩岩层，地下水位以下凝灰岩岩层及地下水位以上凝灰岩岩层。

3边坡整体稳定性的数值模拟分析

边坡稳定性中应力的分析如图1-4所示：

图1为边坡在治理前的应力等值线图，从应力等值线分布图可以看出，边坡应力场特征表现出明显受重力场控制，同时受边坡结构特征及岩性组合的影响，此边坡在坡脚及坡面会有应力集中现象，应力分布基本顺着坡面方向，并一致延伸到坡脚，这对边坡稳定性会造成影响。图2、3、4分别最大、中间及最小主应力等值线图。

从剖面最大应力等值线图（图2）可以看出，剖面上最大主应力基本上是顺着坡面方向，并一直延伸到坡脚，这是对边坡稳定不利的。最大主应力的最大值出现在坡体最深处，其值为316KPa，最大主应力的最小值出现在坡面部位，其值接近零值。由于岩土分界面的存在，使得附近区域的最大主应力方向要比其他区域最大主应力方向的变化大而且迅速，主应力等值线不平滑，出现突变，岩体分界面附近区域和坡脚处产生应力集中效应，这表明此边坡整体几何形态未能有效的降低了应力集中程度。

从边坡最小主应力等值线图（图4）可以看出，最小主应力的分布出现明显分层现象，最小主应力大小在坡体不同部位有均匀变化：在坡体深部其方向近水平，最大值为925KPa。总的来说，最小主应力在边坡中未出现明显拉应力集中区域。

参考文献：

[1]李为腾,杨宁,李廷春,王刚,梅玉春,玄超.FLAC~(3D)中锚杆破断失效的实现及应用[J].岩石力学与工程学报,2016,35(04):753-767.

[2]蒋中明,熊小虎,曾铃.基于FLAC~(3D)平台的边坡非饱和降雨入渗分析[J].岩土力学,2014,35(03):855-861.

[3]王春波,丁文其,乔亚飞.硬化土本构模型在FLAC~(3D)中的开发及应用[J].岩石力学与工程学报,2014,33(01):199-208.