基于ANSYS平台的FLAC3D顺层岩质高边坡开挖稳定性分析

基于 ANSYS平台的 FLAC3D顺层岩质高边坡开挖稳定性分析

胡 宣

中铁二十五局集团有限公司设计研究院 广东 广州 511458

摘　要：文章运用FLAC^3D有限差分软件中Mohr-Coulomb 本构模型对某场地顺层岩质高边坡分步开挖进行模拟，揭示坡体的整体变形和应力应变特征发展过程，对边坡开挖稳定性做出评价。结果表明坡脚和开挖临空面应力相对集中，自上而下开挖至第七级台阶处位移突增，边坡处于不稳定状态。

关键词：顺层岩质高边坡；ANSYS；FLAC^3D； 稳定性分析

1引言

顺层岩质高边坡作为边坡的一种特殊形式，是很容易发生变形破坏的一种边坡类型，使得顺层岩质高边坡的失稳问题成为工程地质学和岩石力学领域内亟待解决的问题之一^［1】。FLAC^3D数值模拟方法全面满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间的本构关系。同时，采用数值分析方法可以不受边坡不规则的几何形状和材料的不均匀性的限制，这是比较理想的分析边坡应力变形和稳定性的手段。在运用FLAC^3D对边坡进行稳定性数值模拟分析时，通常要对实体对象经过适当简化建立相应的三维计算模型。然而FLAC^3D 在前期处理建模以及网格划分方面却一直很不方便,特别是遇到地层比较复杂和边界不规则时，在创建模型时就十分困难，不易控制网格点数据，不能完全创建真实的地质模型^［2】。

ANSYS可以自上而下直接建立实体模型，还可以通过自下而上依次生成点、线、面和体，从而创建真实的实体模型^［4】。对于创建好的实体模型的网格划分，ANSYS提供了功能强大的控制工具，比如单元大小和形状的控制、网格的划分类型以及网格的清除和细化^［5］。因此，在需要建立比较复杂的地质模型时，可以采用建模与网格划分功能强大的ANSYS软件建立相应的数值模型，再导入FLAC^3D中进行分析，这样就可以明显降低了前期建模的难度^［6］。

2工程地质概况

场地整体地形情况为西高东低，四周高中间低，场平过后场地将形成约10个高边坡，最大边坡高度超过90m。特别是南侧高边坡，为顺向边坡，边坡软弱结构面较多，层面存在泥化现象,岩体较破碎，边坡开挖后容易引起岩体滑动,造成边坡失稳。根据工程地质调查及钻孔揭露，南侧边坡区出露地层为第四系残破积（Q₄^el+dl）、三叠系中统关岭组第三段（T₂g³），主要岩性自上而下分别是：粉质粘土②₁和强风化泥质白云岩⑤₁以及中风化泥质白云岩⑤₂。选取南侧某一边坡典型剖面进行模拟分析，边坡工程地质剖面图如图1所示。 图1 边坡工程地质剖面图

Fig.1 Slope engineering geological section diagram

3边坡开挖及稳定性分析

3.1参数选取

根据岩土体情况，拟采用model mohr（摩尔-库伦模型）进行模拟分析，在FLAC^3D计算程序中，岩土体变形的变形参数采用的是剪切模量（G）和体积模量（K），变形模量（K）、切变模量（G）和压缩模量（E）及泊松比（ν）存在如下关系：

该边坡岩土体物理力学参数见表1。

表1 岩土体物理力学参数表

Table 1 Physical and mechanical parameters of rock and soil

3.2模型建立

对这一剖面用ANSYS有限元软件进行建模，为了简化模型，对y方向采取固定拉伸100m，即成为FLAC^3D的计算模型。岩土体的本构关系采用Mohr-Coulomb本构模型，屈服和强度准则采用Ｍ－Ｃ准则^［7］，初始应力场按自重应力考虑，本次计算模型采用侧面和底面固定约束的边界条件，坡面无约束，为自由边界条件，如图2所示。

3.2模拟方案

开挖该顺层岩质高边坡主要采用上部卸载的方案，按照自上而下的开挖施工顺序，分八级台阶进行开挖（每10m分一级）。为了揭示每一级开挖后坡脚处位移的变化情况，在每一步开挖的坡脚处沿竖直方向均匀设置监测点，具体位置如图3所示。

3.3模拟计算结果分析

本次模拟计算参数以实验成果并结合工程经验进行取定，从而对边坡开挖后的变形与应力应变进行分析。进行模拟分析计算不仅是为了计算边坡开挖后的初始应力场及变形特征，更重要的而是为了以便准确地预测评价边坡施工开挖后的变形特征和稳定性。

3.3.1开挖后变形特征分析

1.图4和图5分别为边坡水平位移等值线图和垂直位移等值线图，由图可知：坡体位移主要表现为总体沉降变形和边缘处的侧向变形，最大水平位移达26.4cm，而最大垂直位移约45cm，出现位置与最大水平位移大致一致，均出现在坡脚处。

2.图4中从数值上可知滑坡体在水平方向向坡外滑动，坡脚处的水平位移为26.4cm。图5中坡脚处垂直位移为45cm，表明坡脚处由于受到上部滑坡体的挤压，而出现鼓胀现象；坡顶处的位移为1.94 cm，方向竖直向下，说明滑坡顶部在竖直方向下运动，而使坡顶出现拉伸裂纹。

3.用数据处理软件Excel对各监测点位移数据进行处理，得到位移监测曲线，如图6和图7所示，水平位移最大值和垂直位移最大值均位于边坡表面监测线末端，P1～P8位移值均在沿边坡走向130m处出现突变，说明边坡在开挖至第七级台阶后，边坡处于不稳定状态，在不采取支护的情况下继续开挖，各监测点处位移值越来越大。

图 6 水平位移

Fig.6 Horizontal displacement

图 7 垂直位移

Fig.7 Vertical displacement

3.3.2开挖后应力应变特征分析

1．最大主应力结果如图8所示，最大量值达24.65Mpa，最小主应力结果如图9所示，最大量值达2.051Mpa，对比主应力图可以发现, 在边坡底靠近坡脚的位置, 最小主应力相对偏大；在边坡开挖后的临空面位置处最大主应力相对偏大， 说明这些部位受力状况比较复杂。

2.从主应力等值线图可以看出：总体上，最大、最小主应力均表现为压应力，仅零星分布有拉应力，但拉应力的量级很小；在边坡开挖后坡脚底部和临空面位置出现相对应力集中，对边坡稳定性会造成较大的影响。

3. 剪切应变增量结果如图10所示，在边坡坡顶刚开挖后临空面下产生明显的局部化剪切变形，边坡已经处于不稳定状态。这种局部化现象一旦发生，变形将会相对地集中在局部化变形区域内，而区域外发生变形相当于边坡开挖卸载后岩体运动，滑坡体将沿某一滑动面滑出。

4.从图11边坡塑性状态可看出，岩土体大多处于剪切或拉伸状态，塑性区贯通，说明边坡已经处于不稳定状态。

4结论

FLAC^3D软件能够很好地对边坡分步开挖进行模拟，非常符合实际的开挖过程。本文通过建立三维数值模型，利用FLAC^3D软件对开挖过程中未支护的边坡进行模拟分析计算，通过模拟计算分析，每一级边坡开挖完成后，由于开挖卸载的影响，开挖坡脚出现向上回弹的特性，表明坡体坡面越长，分级开挖次数越多，岩体扰动越大，坡体位移越大，边坡开挖稳定性越差。通过变形特征和应力应变特征分析，边坡在未采取支护方式进行开挖，在进行到第七级边坡开挖，边坡将处于不稳定状态。由于该边坡为顺向岩质高边坡，边坡软弱结构面较多，岩体较破碎，边坡开挖后容易造成岩体滑动，建议采取边支护边开挖方式进行开挖。

参考文献

[1]许建文,钱海洋.基于FLAC~(3D)的顺层岩质边坡开挖稳定性分析[J].西部交通科技,2018(05):16-20.

[2]田树昆,曹兰柱.基于CAD与ANSYS的FLAC~(3D)边坡模拟分析[J].微计算机信息,2010,26(33):259-260.

[4]杨宇宏,许胜.基于Surfer和ANSYS复杂地质体的FLAC~(3D)实体建模[J].山西建筑,2011,37(05):63-64.

[5]郝光生,谢文兵,荆升国,王其洲,古际亮.Ansys可视化建模在FLAC~(3D)前期处理中的应用[J].煤炭工程,2011(09):90-92.

[6]刘波，韩彦辉．FLAC原理、实例与应用指南［Ｍ］．北京：人民交通出版社，2005:102-168.

[7]郑颖人，陈祖煜，王恭先．边坡与滑坡工程治理［Ｍ］．北京：人民交通出版社，2010:194-258.