FLAC_3D_在岩质边坡稳定性分析中的应用.pdf

张玉灯,男,硕士研究生。 FLAC 3D 在岩质边坡稳定性分析中的应用 张玉灯 三峡大学三峡库区地质灾害教育部重点实验室 湖北宜昌 443002 摘 要 介绍了FLAC 3D的基本原理和使用步骤。根据 ADI NA建立的某工程边坡三维模型,采用 JAVA语言编写了AD I NA - FLAC 3D的接口程序 ,实现FLAC 3D快速建模 ,并用FLAC 3D分析了边坡的稳 定性。经计算,开挖后,安全系数有所降低,但整体上趋于稳定。与ADI NA的计算结果对比表明 两种软件在计算上取得了较为一致的结果,用于分析时可互为补充。 关键词 边坡稳定性 岩质边坡 FLAC 3D ADI NA 结果对比 1 引言 FLAC 3D特别适合解决非线性问题和大变形问 题 [1], [2 ] ,它在边坡的稳定性数值模拟分析中越来越 得到重视。同时AD I NA由于具有强大的非线性运算 能力和多种适合于岩土的材料模型,在岩土工程中早 就得到广泛应用,这两种软件各自具有不同的优点, 因此两者的联合运用,将有利于扩大解决问题的领域和 效率。 2 基本原理及使用步骤 FLAC 3D基本原理是拉格朗日差分法[2]。有限差分 法可在每一步重新生成有限差分方程。不需构造总刚 度矩阵,对大变形模式每次循环都更新坐标,将位移 增量累计到坐标系中。因此,网格与其所代表的材料 都发生移动和变形。而对于欧拉方程,材料运动及其 变形都是相对于固定的网格的,这种更新坐标的方 法,就是 “ 拉格朗日方法 ” 。拉格朗日法是一种利用 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,随着构形的不断变化,不断更 新坐标,允许介质有较大的变形 [1 ]。对于某一结点而 言,在每一时刻它受到来自其周围区域合力的影响。 如合力不等于零,结点就具有失稳力而产生运动。假 定结点上集中有连接该结点的质量,在失稳力作用 下,结点就产生加速度,进而可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,根据材料的本构 关系求得应力的增量。应力增量求出t和tΔt时刻 各个结点的不平衡力和各个结点在tΔt时的加速 度。对加速度积分,即可得结点新的位移值,由此可 求得各结点新的坐标值 [4 ]。 利用FLAC 3D进行实际工程分析计算包括以下几 个过程 [2 ], [3 ] 1建立模型。根据工程地质条件简化处理形 成抽象模型,其中包括建立概化模型,设置材料单元 组和边界条件,并进行网格划分。 2建立原始平衡。若运行结果不理想应修改 模型,直到合理为止。 3根据实际工程情况改变模型的相关条件, 重新运行程序达到新的平衡或出现破坏。 4结合其他资料对运行结果进行评价。 3 工程概况 里底水电站位于云南省维西县巴迪乡底村的澜沧 江上。其左岸岸坡为 Ⅲ 级基座阶地的前缘天然边坡, 在1 791～1 795 m高程有德钦 维西公路通过,公路 以上岸坡坡度平均39,地表多为坡积层覆盖,发育 Ⅲ 级基座阶地。表层为崩坡积碎石土层;其下为冲洪 积含漂石块碎石土。公路以下发育澜沧江 Ⅰ级阶地, 阶地台面高程1 786～1 790 m,阶地宽13～60 m,组 成物质表部为含卵砾碎石土,下部为冲积砂、砂卵砾 石层,阶地覆盖层总厚15～30 m。坝址区断层较发 育,规模较小,破碎带宽度一般小于30 cm。坝址左 岸1 830 m高程以下为基岩岸坡,卸荷深度较浅,程 度轻微,左岸坡无强卸荷带,弱卸荷带水平深度10 ～20 m,弱卸荷带岩体中张裂隙发育,裂隙宽度一般 015～1010 cm,随水平深度加深,张裂隙明显减少。 4 计算模型的建立 ADI NA的材料模型可模拟岩土材料的非线性。 本研究选取左岸边坡整体作为边坡整体分析模型,模 型顺河流长770 m,垂直河流长595 m,高490 m,在 计算时采用8个单元组,每组都用Mohr - coulomb材 料模型。相关的材料参数见表1。建好的模型见图1。 表1 各岩组计算参数表 单元组 弹性模 量E/Pa 泊松 比μ 容重γ / kNm - 3 摩擦角 φ / 内聚力 c/Pa 1岸坡坡积碎石土3107013619102750000 2岸坡冲洪积卵砾 碎石土 7107013422103370000 3岸坡含砾中细砂层3107013217102750000 4河床冲积砂卵砾石515107013222102920000 5断层6108013027102250000 6强风化11080130271032400000 7弱风化41090128271237700000 8微风化610901252714441000000 模型z是垂直方向,模型x是顺河流方向,y是 横河方向。其临河方向是自由表面,河床以下为约束 边界。四周采用法向约束,底部固定约束。本次模拟 仅考虑重力荷载作用。 由于FLAC 3D在模型建立以及单元网格划分等前 处理问题上,存在许多不足 [5 ] ,这极大地影响了 FLAC 3D的效率。针对 FLAC 3D不足及 对比分析的需要 , 461全国中文核心期刊 路基工程 2008年第6期总第141期 本文编写了AD I NAFLAC 3D的数据转换接口程序 , 可以方便地将现有的AD I NA三维模型转换为FLAC 3D 模型。其基本原理是两种软件在某些单元类型上相 同,仅单元节点的编号上存在差异。根据两者节点编 号的对应关系见表2 ,编写接口程序后,将AD I2 NA中的单元节点坐标数据和单元信息数据分别导出 来形成两个数据文件。然后通过接口程序转换成 FLAC 3D所需的建模文件 ,建立FLAC 3D模型。 5 计算方案及结果分析 分析仅考虑初始工况和开挖工况。 1初始状态下应力场、位移场分析①在天 然应力状态下,该边坡局部处于受拉状态。最大拉应 力 0 15 MPa出现在岸坡坡积碎石土层。最大压应 力 3 167 MPa在基岩的中底部。②在断层部位, 应力场变化较剧烈,有较明显的应力集中。③ 初始状 态下坡体大部分区域没有发生明显变形。y方向的位 移发生在坡面临空面,最大3 cm。z方向最大位移为 13125 cm。出现在左岸边坡坡度较陡部位,主要是坡 体的表面存在弱卸荷带。 2开挖状态下的应力场和位移场分析①开 挖后应力场发生了应力重分布,但不明显,最大压应 力3125 MPa左右,较开挖前有所降低。表明由于开 挖产生一定程度的卸荷。② 坡体较大的位移主要集中 在开挖面上,沿y方向临空面移动,最大达 2152 cm,z方向最大位移2613 cm,主要为回弹变形。 根据地质调查报告显示,目前该边坡是稳定的。 用FLAC 3D强度折减法计算的该边坡在自然和开挖状 态下的安全系数分别为1118和1108。说明开挖后边 坡的稳定性有所降低。 3与ADI NA计算结果的比较两种不同工况 相关数据见表3。从表3看出,两者的结果有差异, 但总趋势一致,没有量级差别,说明两者在模拟岩土 材料方面,具有较好的一致性。 表3 AD I NA和FLAC 3D计算结果对比表 项目 最大主应力/MPa最小主应力/MPay方向位移/cmz方向位移/cm ADI NAFLAC3DAD I NAFLAC3DAD I NAFLAC3DAD I NAFLAC3D 塑性区 初始工况311731670104801046212831001312516120无 开挖工况218721910103901043212621522312226130无 6 结语 1用作者编写的接口程序可生成FLAC 3D建模 所需的数据文件,从而实现FLAC 3D的快速建模。该 法简 单 实 用,极 大 地 提 高 了 分 析 效 率。同 时 对 FLAC 3D功能的发挥具有较大作用。 2用FLAC 3D的强度折减法计算的该边坡在自 然和开挖状态下的安全系数分别为1118和1108,同 时根据本文对应力场和位移场的分析,可以判断该边 坡整体上是稳定的,开挖后边坡的稳定性有所降低。 3 ADI NA和FLAC 3D作为岩土界广泛采用的两 种数值模拟软件,通过对比表明两者能获得较好的 一致性。两者各具优势,可相互补充。 参考文献 [1 ]邹力,彭雄志.浅谈FLAC3D的应用原理、优缺点及改进措施[J ].四 川建筑, 2007 1 151 - 153. [2 ]刘波,韩彦辉.FLAC原理、实例与应用指南[M ].人民交通出版 社, 2005. [3 ]陈祥军,汤劲松.用FLAC3D进行马崖高边坡稳定性分析[J ].石家庄 铁道学院学报, 2002, 15 3 76 - 79. [4 ]魏继红,吴继敏,孙少锐.FLAC3D在边坡稳定性分析中的应用[J ]. 勘察科学技术, 2005 2 27 - 30. [5 ]廖秋林,曾钱帮等.基于ANSYS平台复杂地质体FLAC3D模型的自动 生成[J ].岩石力学与工程学报, 2005, 24 6 1010 - 1013. [6 ]乔国文,王运生,房冬恒.西南某电站右岸开挖边坡稳定性FLAC3D分 析[J ].工程地质学报, 2004, 12 3 280 - 284. 收稿日期 2007 - 11 - 14 561张玉灯FLAC3D在岩质边坡稳定性分析中的应用