基于FLAC3D的堆积体斜坡开挖变形响应研究

周 桃，应智超

（贵州有色地质工程勘察公司，贵州贵阳550002）

斜坡变形破坏是贵州地区频发的地质灾害，长期以来制约着贵州省经济的发展，威胁着人民的生命财产安全和工程建设活动[1]。对于堆积体斜坡，明确其演化规律和变形破坏机理对防灾减灾和预测预报评估具有重要的意义。邓华锋等人认为对于某个具体斜坡堆积体的成因而言，大多表现为多期次、多种作用的复合特征[2-4]。目前，已有许多学者使用数值模拟软件做过相关研究，并结合工程地质条件分析，对滑坡的变形破坏机制进行了深入探讨[5-6]。本文在概化斜坡工程地质条件、综合分析岩土体结构特性的基础上，采用连续介质快速拉格朗日分析方法(FLAC3D)，通过三维数值方法，模拟了斜坡在施工开挖后的应力场和变形场，并分析施工后降雨过程中的应力场、变形场的演变过程，进而通过弹塑性破坏准则，对斜坡的稳定性进行分析和评价。

1 工程概况

贵阳茶山沟斜坡位于贵阳市南明区红岩地块，北侧紧邻南明河。场地属构造剥蚀低中山河谷地貌。总体呈南高、北低的地形，中部相对宽缓，最大高差208.66m。区内出露的松散覆盖层主要为第四系残坡积地层（Q4el+dl）、老滑坡堆积层（Q4el）。基岩地层主要包括：泥盆系蟒山群（DMs）、志留系高寨田群（SGz）。高寨田群可分为上亚群和下亚群6段，进一步细分为10组岩性地层。场区地下水按赋存状态分为基岩裂隙水和松散岩类孔隙水两种类型。

2 模型的建立

模型南北方向长925m，东西方向长2100m，Z轴竖直向上自高程810m到1235m，共划分639321个单元和131154个节点。

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。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1所示的场地斜坡三维模型。

图1 场地斜坡开挖后FLAC3D计算模型

在FLAC3D软件模拟过程中，计算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

3 场地未开挖前斜坡应力场分析

斜坡主应力矢量图如图2所示。天然条件下，斜坡内应力量值总体上与埋深呈正比，分布较均匀，最大主应力局部由于岩性差异和地貌影响存在应力水平相对较低或较高的现象，无拉应力现象出现，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重力方向一致，在临近坡表部位调整为与坡面近于平行。

图2 主应力矢量图

最小主应力分布除受重力场影响外，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，目前无拉应力出现，并且在斜坡堆积体与正常岩体分界部位有较为明显的集中，同时在斜坡坡脚也有明显的集中，最小主应力的方向在坡体内部一般为水平方向，而在临近坡表调整为与坡面近垂直。

由场地斜坡未开挖前的主应力分布特征可见，最大主应力主要受重力场和岩土体分布不同影响，在斜坡中部及中上部岩土体存在着一定的拉应力，但拉应力量值较小。

4 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。

场地斜坡开挖后，斜坡的变形过程位移矢量分布特征如图3所示。斜坡变形主要发生在堆积体分布区域。从图中可知，场地堆积体前部整体变形都较大，最大变形量约45cm，易发生滑动破坏。堆积体中部变形量已达到25cm，说明在坡度较陡部位易发生局部垮塌。而堆积体后部变形量相对较小，变形量在5~12cm之间，产生滑动或垮塌的可能性较小。

图3 场地斜坡开挖后变形过程位移矢量分布特征

斜坡开挖后，斜坡堆积体前部主要变形方向为北东向或北东东向，而堆积体中后部变形方向主要为北向或北北东向（临空面方向），其中堆积体后部偏西侧有向北西或北西西方向变形的迹象。

由于场地西高东低，南高北低，在场地坡表开挖后，堆积体前部反压重量减轻，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，若后期再在地表加载或遇极端天气条件下，堆积体前部易产生整体滑动。堆积体前部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滑塌。

堆积体中后部在开挖后，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。堆积体中后部整体变形较小，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，但坡表边缘部位可能会出现掉块的现象。

5 场地斜坡开挖后暴雨条件下变形特性分析

斜坡开挖后暴雨条件下，场地斜坡变形的总位移云图如图4所示，从图中可以看出，暴雨条件下，堆积体前部的变形量剧增，最大值达到1.9m，而堆积体中后部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堆积体前部所受影响较大，可能已经滑动破坏。

图4 场地斜坡开挖后暴雨条件下变形过程中总位移分布特征

斜坡开挖后暴雨条件下，场地斜坡最大剪应变增量云图如图5所示，从图中可以看出，堆积体前部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。

图5 场地斜坡开挖后暴雨条件下最大剪应变增量分布特征

6 结论

本文主要通过FLAC3D软件对大型松散堆积体斜坡开挖以及降雨后的变形特征进行了分析。开挖后斜坡变形主要发生在开挖面后部堆积体分布区域。场地堆积体前部整体变形都较大，易发生滑动破坏。堆积体中部坡度较陡部位易发生局部垮塌，堆积体后部变形量相对较小，产生滑动或垮塌的可能性较小。降雨作用下，斜坡堆积体整体发生了轻微的变形，受开挖影响范围内堆积体的位移仍会持续增加。