基于FLAC3D的土质边坡稳定性分析

付 雪，石 磊，林建国，缪云腾

(甘肃省地质矿产开发局第一地质矿产勘查院，甘肃 天水 741020)

数值方法进行边坡的应力分析始于上个世纪60年代，其常用的数值模拟方法有：有限元法、有限元差分法、边界元法等。自上世纪70年代以来，有限元法已经广泛使用在土体的动力变化分析中[1]。拉格朗日元在边坡变形问题中普遍被采用[2]，美国Itasca公司推出的FLAC3D也被运用于边坡动力变化分析中[3]。本文采用FLAC3D对某土质边坡稳定性进行模拟，将模拟结果与已发生变形对比，分析其变形特征及发展趋势。

1 边坡基本概况

该土质边坡为人工削坡而成(图1)，平面形态呈“梯形”，坡顶宽52.5 m、底宽81.4 m，西侧坡高29～38 m、东侧38～40 m；剖面形态呈“折线形”，坡度46°～54°，呈下陡上缓的特点。

图1 土质边坡区域地理图

边坡出露的地层主要有第四系上更新统风积黄土、粉质粘土及冲洪积砾卵石。

1)第四系上更新统风积黄土：分布于斜坡上部，海拔1 543～1 545 m，厚度12～28 m。主要为粉土，浅黄色，质地均一，土体结构疏松，具大孔隙，垂直节理发育，具较强湿陷性。

2)粉质粘土：分布于斜坡中部，海拔1 515～1 518 m之间，厚度3～4 m。主要为黄土状土，夹薄层细砂层，具水平层理，较密实，干燥状态下较为坚硬，具弱湿陷性。

3)冲洪积砾卵石层：分布于斜坡下部，出露厚度>10m。灰—青灰色，次棱角状，分选性较好。粒径2～5 cm的占35%，5～8 cm的占25%，8 cm以上的占20%，可见最大粒径46 cm；泥砂充填物占20%，密实、干燥—稍湿。

2 计算模型建立

对同一地层中岩土体的性质作均一化假设，本次数值模拟计算采用FLAC3D软件进行。根据土工试验结果，确定本次计算边坡土体物理力学参数见表1。

表1 边坡土体物理力学参数

本次计算选取边坡中部的两个典型剖面进行计算(图2、图3)，从而分析该边坡整体的动力变化[4]。

图2 ①号剖面图 图3 ②号剖面

模型1(图4)长×宽×高=40.5×1.0×42.6 m，模型2(图5)长×宽×高=41.2×1.0×42.6 m；计算条件为天然工况，本构模型采用Mohr-Coulomb模型，初始应力场按自重应力场考虑，计算收敛准则为不平衡力比率满足10-5的求解要求，计算时步上限为30 000 steps。模型的边界条件为底部固定约束，侧面及后面限制水平移动，顶面为自由面，采用三角形网格对模型进行网格划分，模型1划分后共有9 016个单元，2 636个节点，模型2划分后共有6 883个单元，2 213个节点。

图4 ①号剖面区域建模图 图5 ②号剖面区域建模图

3 计算方案与模拟结果

为了更好的分析计算过程中边坡的变形破坏特征，沿坡面分别设置8处监测点，用于监测该点处的位移状况。采用flac3d求解安全系数法(强度折减法)进行数值计算[5]，经分析计算结果，天然工况下剖面1安全系数1.13、剖面2安全系数为1.22。

由剪应变增量云图可知，剖面1存在一潜在滑动面，从坡脚一直延伸到坡顶，尤其是坡脚处剪应变增量值相对最大，说明该段边坡的失稳最先是从坡脚处的剪切破坏开始的，剖面2与剖面1则相反，坡顶的剪应变增量值相对最大，最先失稳的是从坡顶开始。

通过FLAC3D计算土质边坡的剪应力变化，初步了解边坡变形的初始部位，进而模拟两处斜坡段的塑性变量(见图8、图9)。

图6 模型1剪应变增量云图 图7 模型2剪应变增量云图

图8 模型1塑性区图 图9 模型2塑性区图

由图8、图9可知，在折减系数达到1.13、1.22时，边坡恰好处于极限平衡状态，坡体内部塑性区从坡顶到坡脚完全贯通，形成完整的滑动面，边坡开始发生滑动破坏，此时，各个监测点处的x方向位移均呈先快速增大后逐渐趋于稳定的变化特征，且整体变形量也较小，说明边坡处于相对稳定状态，没有发生失稳破坏，这和数值计算得到的边坡安全系数为1.13、1.22一致。

4 结语

(1)在自然工况下，模型1坡脚处的位移远大于坡体内部的位移，坡脚最先发生变形，且变形量也较大；模型2坡体上部的位移远远大于坡体其它部分，这与边坡的失稳破坏机制是一致的。

(2)在实际调查中，剖面1没有发生明显的滑动；剖面2左侧，发生黄土浅层滑坡，滑体中部厚3～5 m，根据滑坡的运动形式为推移式[6]，坡体上部先发生变形推动下部滑动，这与模型2模拟该段边坡的失稳最先是从坡顶处的剪切破坏开始一致。

(3)本次模拟重点在分析土质边坡在自然工况下的稳定性，选取的2个剖面坡度为45.5°、47.6°，在模拟计算稳定性为1.13、1.22，其结果是在不考虑人为及其它因素影响的情况下，土质边坡基本稳定，但在实际调查过程中，剖面2左侧发生浅层黄土滑坡，说明在模拟计算结果趋于大。综合人为，为使土质边坡在自然条件下稳定，边坡坡度应<45°。