复杂地形边坡的FLAC3D建模及分析

石 斌 马福民 蒋一波 孙军柱 雷俊锋 温树鑫

(1.中电建路桥集团有限公司，北京 100048； 2.中国水电建设集团十五工程局有限公司，陕西 西安 710065)

FLAC3D作为岩土工程专业的一款数值计算软件，能够进行边坡、隧道、结构、流固耦合等多方面模拟研究，广泛运用于土木工程领域。实际工程中，由于地质地形的多样性、边坡的复杂性等给FLAC3D的建模带来很大的困难。因此，研究复杂边坡地形的FLAC3D建模方法具有重要意义。

目前有很多学者采用FLAC3D软件的建模、模拟分析等进行了大量的研究和实践，并已取得了丰硕的成果。如马新根等[1]基于Rhino3D NURBS，采用KUBRIX插件实现了Rhino3D模型导入FLAC3D中。陈庆发等[2]基于3DMine数字化模型，提出了3DMine,Surfer,RhinoANSYS,FLAC3D等多软件耦合建模方法，并以广西某矿体开采为背景进行了相关探讨。韩万东等[3]采用FLAC3D对露天矿边坡稳定性进行数值模拟分析，为边坡失稳的预防和治理提供了科学的依据。张永贵等[4]利用FLAC3D软件构建工程地质模型,分析了边坡、排土场等区域的稳定性破坏模式,对该露天煤矿边坡稳定性分析与评价提供了技术基础。徐君等[5]、张灿灿[6]、刘振宇等[7]也采用FLAC3D进行数值模拟分析,通过计算其安全系数来判断边坡稳定情况,分析各自工况下边坡内部的应力和应变情况,为相关灾害防治工作提供了参考。

本文以四川G4216线仁寿经沐川至屏山新市(含马边支线)段高速公路大梗上隧道出口边坡为例，基于认识分析功能强大的岩土工程计算软件FLAC3D，结合对CAD与ANSYS建模软件的运用，在复杂边坡地形下建立最佳的三维数值模型。

1 软件介绍

1.1 建模软件

AutoCAD是一个可视化的绘图软件，许多命令和操作可以通过菜单选项和工具按钮等多种方式实现，具有丰富的绘图和绘图辅助功能。在对CAD进行二次开发后，允许用户定制菜单和工具栏，能利用内嵌语言Visual Lisp,VBA,ADS,ARX，还可以加载运行脚本，实现系统本身所没有的功能，比如三维自动旋转。CAD不仅在二维绘图处理更加成熟，三维功能也更加完善，可方便地进行建模和渲染。ANSYS是一款大型通用有限元分析软件与计算机辅助工程软件，能实现电子设备的互联，仿真各种类型的结构材料，简化复杂流体动力学工程问题，与多数计算机辅助设计软件接口，实现数据的共享和交换。现已应用于结构力学、流体力学、电路学、电磁学、热力学、声学、化学化工反应等。ANSYS软件的应用领域非常广泛，为相当多的工程带来便利。

1.2 计算软件

FLAC3D全称为Fast Lagrangian Analysis of Continua,即连续介质快速拉格朗日分析，是由美国Itasca Consulting Group Inc.公司开发的三维显式有限差分程序，作为岩土方面的专业模拟软件。FLAC3D采用了显式拉格朗日算法和混合—离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动。FLAC3D具有强大的计算能力，并且界面简洁明了，特点鲜明，其使用特征和计算特征在众多数值模拟软件中独树一帜。FLAC3D不仅适宜于处理大尺度、大变形和地质问题，而且可在初试模型中加入断裂、节理构造等地质因素。目前FLAC3D广泛应用于岩土力学分析，例如矿体滑坡、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[7]。

2 建模过程

2.1 依托工程概况

四川仁寿经沐川至屏山新市镇高速公路马边支线段LJ21标段起点位于利店镇，终点位于石梁子乡，起点桩号LK23+250(LZK23+250)，终点桩号LK29+772(LZK29+759)，根据地质勘探资料显示，场区内出漏及钻探揭露的地质为新生界第四系全新统冲洪积层、崩坡积层及中生界侏罗系中统沙溪庙组。本文以该标段内大梗上隧道出口边坡为研究对象，该边坡表层有崩坡积层，成分主要为(含块石)粉质粘土、碎石、块石，厚度1 m～15 m。边坡清表后见图1。

2.2 建模步骤

结合施工图纸与实地考察，确定边坡尺寸，为使模拟计算结果更加精确，坡脚与同侧计算边界的距离应大于1.5H，本文取2H，坡顶与同侧计算边界的距离应大于2.5H，H为边坡高度，为75.52 m，模型长521 m。

1)根据设计方案的数据在AutoCAD中建立比例为1∶1的二维模型，如图2所示。

2)将AutoCAD二维模型导入ANSYSSCDM拉伸建立三维模型，拉伸宽度为50 m，如图3所示。

3)建立好三维模型后，使用ANSYSAPDL对该模型进行网格的划分，划分前需要设置好材料参数，如弹性模量、泊松比和密度等，ANSYSAPDL在划分网格的同时会把划分的网格根据材料属性进行分组，所以需要把不同参数的岩土体分开划分网格。划分好网格的模型如图4所示。

4)随后将该模型导入FLAC3D中，在导入前，由于ANSYS和FLAC3D两款软件的工作空间坐标轴不同，ANSYS默认的工作平面是X-Y平面，FLAC3D默认的工作平面X-Z平面，需要将模型进行旋转。模型共有19 500个网格，导入FLAC3D的模型如图5所示。

3 主要计算过程

3.1 边坡模型材料参数输入

FLAC3D可选择的本构模型有12种，本文用到的模型有以下两种，弹性模型(model elastic)：用来模拟弹性材料的模型；摩尔—库仑模型(model mohr)：是本文模型的主要材料模型，可模拟摩尔—库仑塑性材料，如土体、岩体，是岩土工程大量使用的模型。通过钻孔图的数据可知该边坡分为基岩部分和土体部分，由于基岩和土体的参数有所区别，所以模型分为了两个组别，group 1为土体，group 2为基岩。

弹性模型需要定义的参数有：bulk(体积模量)(K)，shear(切变模量)(G)。切变模量(G)和体积模量(K)是根据材料的泊松比(v)和杨氏模量(E)求得的。

摩尔—库仑模型除了需要定义切变模量(G)和体积模量(K)之外，还需要定义材料的内摩擦角(friction)、剪胀角(dilation)、粘聚力(cohesion)、抗拉强度(tension)。在FLAC3D中，以上任一参数如果没有定义，系统会默认其值为“0”。材料参数的具体取值，通过现场工程资料和相关规范可获取(如表1所示)。

表1 模型参数取值表

3.2 边界条件和初始应力场的生成

边界条件是模型位移的边界，通过设置边界条件，可以限制模型边界的位移，使计算够收敛，若不设置边界，模型可无限运动，计算就不能收敛结束。

初始应力是指:在施工还没开始之前，岩土体就已经处于之前的时间形成的某种应力状态，也叫做地应力，在进行计算之前，我们需要使用软件求解初始应力状态。求解方法分为弹性求解、改强度塑性求解、分阶段弹塑性求解三种，在求解时需把体积模量和切变模量设置最大，可将其设置为3e7,1e7。

3.3 最大不平衡力及收敛条件

外力作用于网格节点时会把力传到整个模型的每个节点，每个节点都有受到外力并由此产生内力，最大不平衡力就是每个计算循环中，所有节点中，外力与内力之差的最大值。FLAC3D默认的收敛标准是最大不平衡力和典型内力的比率为10-5，该值可以自己设置改变。典型内力指的是模型的所有网格点内力平均值。在结果计算出来后，可以查看最大不平衡力的监测曲线，以此来判断是否已经收敛。为了防止计算不收敛，可以设置计算的步时收敛标准为150 000步，设置好监测点后，便可以开始计算。

4 计算结果出图分析

计算结束后，通过软件后处理可以得到位移云图、应力云图、剪应力分布云图等，如剪应变增量分布云图见图6。

位移云图反映边坡各个区域的位移量区间，并不能反映具体数值，图中最大的位移区间为1.50 cm～1.51 cm，但图中并未出现该区间，可能在其内部有出现。这时候剪应变增量突变位置与最大水平位移出现位置和最大竖直位移出现位置吻合，剪应变增量最大值为1.721×10-3，最小值为8.750×10-8，土体应变主要是由剪应力引起。

为更直观了解模型内部，可采用FLAC3D的切片功能，可以根据自己的需要选取一个平面来查看内部的应力、应变、位移等，可以更好的分析模型的具体受力情况，如采用y=-25的平面进行切片处理的云图如图7所示。

最大剪应变增量与最大位移、最大主应变增量出现位置相同，说明土体位移破坏主要是由剪应力引起的剪切破坏，主要影响边坡稳定性的应力为剪应力以及水平应力，因此土体的内摩擦角以及粘聚力是分析边坡稳定性中的重要参数。大主应力以及竖直应力都是随土的深度增加的，分布均匀，对边坡稳定性影响不大。

5 结语

本文基于AutoCAD，ANSYS软件，依托四川仁沐新高速公路大梗上隧道出口边坡工程，阐述了建立复杂边坡地形下有限差分计算模型的关键步骤，解决了FLAC3D软件建立复杂模型困难的问题。建模过程简单明确，输出模型精确度高，有效的减少了工程人员在建模时所费的时间与精力，提高了数值模拟的效率，为设计人员提供新的更为有效的选择。最后对FLAC3D分析边坡稳定性的主要计算过程和计算结果展示也进行了简要介绍，相关建模和求解分析过程可为相关工程的类似分析提供借鉴和参考。