FLAC 3D在场地斜坡变形中的应用研究

张 新

（贵州有色地质工程勘察公司，贵州贵阳550005）

1 工程概况

2018年3月贵阳市某地块南侧进行市政道路边坡的抗滑桩支挡及平基施工，施工至7月初，已完成的抗滑桩顶冠梁出现斜裂缝，斜裂缝不断发展，部分冠梁沿斜裂缝被剪断；部分桩前土体出现裂缝，土体发生下沉；桩后坡体发现台阶式张拉裂缝。至9月底，桩前土体裂缝、桩后坡体裂缝不断发展扩大，整个坡体有失稳下滑的可能。

本场地属构造剥蚀低中山斜坡地貌；总体呈南高、北低的地形，中部相对宽缓，场地在区域上最高点位于场地南西侧斜坡坡顶，高程1242.06m，最低处位于北侧南明河，高程1033.4m，最大高差208.66m。

场地所在区域呈后陡前缓的地形，靠后侧斜坡山脊走向70°左右，坡度平均36°，高程分布为1034～1205m，越靠近坡顶，坡度越陡，后侧斜坡中上部坡度40°～44°，山脊线另一侧坡度较缓，一般坡度在20°左右，靠近东侧（8号地块）坡顶为一平台。

后侧斜坡与中部宽缓地带在原始地形上有一冲沟分隔，中前部坡度20°左右，前侧为南明河。场地斜坡项目示意图如图1所示。

2 场地斜坡建模概述

斜坡在天然情况下总是处在一定的应力平衡状态，这种初始的应力状态是由岩土体自重应力场与残余构造应力在长期的地质作用在历史行进过程中形成的。以前各个研究单位通常采用经验类比和弹塑性分析两种方法来确定场地斜坡的应力分布和变形特征。但是大型复杂工程地质条件下的场地斜坡其应力及变形特征比较复杂，而且传统技术办法的应用范围和求解能力仍较为困难，无论是经验类比还是弹塑性分折这两个方法，都不能较好地对降雨情况与场地平整开挖施工过程进行精准的模拟分析，因此采用合适的先进的数值分析模拟技术是必不可少的。

建模是对数值模拟分析的第一手资料，模型是否客观准确地反映现场实际工程地质条件是决定模拟成果可靠性的决定性因素。总的来说，场地斜坡的三维地质建模主要有两种方法，第一是以堆砌法为主，第二是以块体切割为主。而在通用的数值模拟软件中，3dσ和FLAC 3D都是根据此类思维来建模的。大量工程经验的试验测试证明，FLAC 3D在水文地质、工程地质、环境地质的领域范围具有良好的模拟效果。

3 模型的建立

模型南北方向长925m，东西方向长2100m，范围自六号地块至八号地块东侧冲沟；Z轴竖直向上自高程810～1235m。

该模型的力学边界采用两边侧面(南北方向)、前后缘侧面(东西方向)水平约束，底面(Z方向)垂直方向约束，地表为自由面。东方向基本上与河流流向平行，北方向基本上与河流流向垂直。场地斜坡为房屋修建地基，2018年曾进行场地平整开挖施工，根据上述原则建立如图2所示的场地斜坡目前实际三维模型。

图2 场地斜坡开挖后FLAC 3D计算模型

在FLAC 3D软件模拟过程中，计算共划分639321个单元和131154个节点。考虑了场地斜坡石英砂岩、泥灰岩、页岩、堆积体等岩土层，结合实际各分区地质条件，模型岩土体物理力学参数取值见表1。

表1 斜坡岩体物理力学参数

4 场地未开挖前斜坡应力场分析

根据场地斜坡开挖前的天然应力场特征，天然条件下最大、最小主应力分布特征及主应力矢量图，分析得出：

（1）天然条件下，斜坡内应力量值总的来说与基岩埋深呈正比，分布较均匀，最大主应力局部由于岩石性状等差异和地貌影响存在应力水平相对较低或较高的情况，无拉应力情况出现，堆积体区域由于容重低，孔隙多，应力值较低，最大主应力方向在斜坡内部基本与岩土体重力方向一致，在靠近斜坡地表部位调整为与坡面近似于平行。

（2）最小主应力的分布区域除了受重力场因素影响外，受岩土体的界面和地貌影响较大，主要表现在场地斜坡下部近河谷岩体部位，目前无拉应力情况出现，而且在斜坡堆积体与正常岩体分界部位有明显的集中表现，同时在斜坡坡脚也有明显的集中，最小主应力的方向在斜坡体内部一般为水平方向，而在靠近斜坡地表调整为与坡面近似于垂直。

5 场地斜坡开挖后变形特性分析

为分析场地斜坡在场地平整开挖过程的变形特征，本次计算在斜坡天然应力的条件下，对斜坡岩体在自重作用下的位移、位移速率以及塑性变形区进行了清零，在此基础上进行开挖。由于开挖施工过程工序未知，且施工时间较短，模型中根据现在的地形采用一次性开挖完成。

根据场地斜坡开挖后天然条件下最大、最小主应力分布特征图、变形过程主应力矢量图、竖向位移分布特征图，场地斜坡开挖后，斜坡变形主要发生在堆积体分布区域，且总体变形为八号地块变形最大，其次七号地块坡度较陡部位也有相当的变形量，而基岩分布区域基本未发生变形。从图中可知，场地八号地块最大变形量大到45cm，且八号地块整体变形都较大，易发生滑动破坏。七号地块局部变形量已达到25cm，说明在坡度较陡部位易发生局部垮塌。而六号地块整体变形量相对较小，六号地块区域内变形在5～12cm之间，产生滑动或垮塌的可能性较小。八号地块主要变形方向为北东向或北东东向，而六号地块和七号地块场地变形方向主要为北向或北北东向（临空面方向），其中六号地块偏西侧部位有向北西或北西西方向变形的迹象。

图3 场地斜坡开挖后变形过程位移矢量分布特征

根据图3场地斜坡开挖后的变形过程位移矢量分布特征图及最大剪应变增量分布特征图，可以较清晰地看出场地斜坡各部位的变形大小和变形方向，从图中可得出与各方向变形分量云图类似的结果。从中可知场地西高东低，南高北低，在场地坡表开挖后，八号地块场地反压重量减轻，在南西侧堆积体的挤压下，产生向北东向的变形，且在整个场地范围内变形最大，场地八号地块出现了最大剪应变增量集中的现象，说明产生了较大的剪切变形，若后期在地表加载或遇极端天气条件下，八号地块易产生整体滑动。八号地块南西侧靠南部位坡度较陡，在场地开挖后此区域向北或北北东方向产生了一定变形，若不加支护，可能会产生小范围垮塌或在推挤八号地块滑动的过程中产生滑塌。

场地七号地块在开挖后，局部坡度较陡，碎石土较松散，故产生了向临空方向（即北向）的变形，后期在长期风化或暴雨条件下可能产生小范围的滑坡。六号地块整体变形较小，主要为填方体向西或北西临空方向的变形，此区域场地较稳定，基本不会产生大的变形或破坏，但斜坡体表层边缘部位可能会出现掉块的现象。

为分析各地块在场地施工后的变形特征，在计算模型中选取代表剖面3-3′剖面结果进行分析。

图4 场地斜坡开挖后3-3′剖面总位移分布特征

根据图4场地斜坡开挖后3-3′剖面总位移分布特征图、最大剪应变增量分布特征图可以看出，八号地块场地在开挖后整体产生了较大的变形，尤其是坡表以下20m范围内变形较大，坡表最大变形达到45cm。八号地块在坡表产生变形的同时，碎石土底部也产生了剪切变形，但还没有形成贯通的剪应变增量带，在地形陡变处和前缘还未产生较大的剪应变增量。若在极端暴雨条件、加载条件下或长期重力作用时间效应下可能会产生贯通的剪切带，产生滑动。

图5 场地斜坡开挖后暴雨条件下变形过程总位移分布特征

根据图5场地斜坡开挖后暴雨条件下变形过程总位移分布特征、最大剪应变增量分布特征图，在场地斜坡开挖后暴雨条件下，场地八号地块的变形量剧增，最大值达到1.9m，而六号地块和七号地块的变形量相较于开挖后天然条件下增加不多，所受影响较小。说明极端暴雨条件下八号地块所受影响较大，可能已经滑动破坏。而此区域的滑动将会影响八号地块南西侧抗滑桩南部堆积体的变形，可能引起抗滑桩南侧堆积体产生垮塌或滑动。八号地块在开挖后天然条件下的基础上，大部分部位都出现了剪应变集中现象，只是不同部位集中程度不同而已，边缘部位最大，说明此区域堆积体在暴雨条件下可能已经破坏，而不仅仅是沿着底部滑面的滑动变形，滑坡体内也存在剪切破坏。

6 结语

本文通过贵阳市某斜坡建设场地的稳定性评价，在阐述建立FLAC3D模型的关键步骤，确定了Flac3D在水文地质、工程地质、环境地质的领域范围具有良好的模拟效果的前提下，开展了相关工作。建立了FLAC3D模型，通过斜坡岩体物理力学参数及大量的现场试验工作，通过总位移分布特征及最大剪应变等综合分析得出各相关地块的斜坡稳定性情况与现场实际情况基本吻合。说明了该软件在该项目得到了较好的印证，为其他相关工程提供了一定的借鉴与参照。