单位文秘网 2021-08-31 09:10:10 点击: 次
(甘肃省地质环境监测院,甘肃兰州730050)
摘 要本文对FLAC软件进行简单的介绍;通过对软件计算方法及破坏标准的了解,深入分析软件在实际工程中应用的可能性;同时通过FLAC软件对已有实际工程的计算与分析结果,对比工程实地勘察结果,论证软件在滑坡稳定性分析中的可行性。并通过该软件的计算模拟,预测该牵引式滑坡在发生破坏后的破坏方式及机理,为滑坡的预测评估提供有力的计算依据。
关键词FLAC;牵引式滑坡稳定性分析与预测;可行性
中图分类号TP文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)092-0226-02
1FLAC软件
FLAC数值模拟法是一种基于有限差分法且针对岩土边坡稳定性分析的一种新型数值模拟软件。FLAC是计算软件Fast Lagrangian Analysis of Continua的缩写。意为连续介质的快速拉格朗日法。它是美国Itasca公司编制开发软件,适用于岩土工程力学分析。
FLAC程序建立在拉格朗日算法的基础上,特别适合模拟大的变形,其基本原理就是采用显式差分法求解运动方程和动力方程。程序将计算区域内的介质划分成若干个单元。单元之间用结点相互连接,对某个结点施加荷载之后,该结点的运动方程可以写成时间步长△t的有限差分的形式,而且在每一时刻它受到来自其周围区域的合力的影响,如果合力不等于零,结点就会失稳而发生运动,从而可以在一个时步长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而求得它的应变率,然后根据材料的本构关系求得应力的增量。由应力增量求出t和t+△t时刻各个结点的不平衡力和各个结点在t+△t时的加速度、积分加速度,即可求出结点新的位移值,从而计算出各结点新的坐标值,通过应力叠加也可得到新的应力值。以此作为一个计算循环,按步骤依次下一循环计算,直至问题收敛。如果单元的最大不平衡力随着时步增加而逐渐趋于极小值,则计算是稳定的;否则,计算就是不稳
定的。
FLAC程序还具有强大的后处理功能,用户可以直接在屏幕上绘制或以文件形式创建和输出打印多种形式的图形。使用者还可根据需要,将若干个变量合并在同一副图形中进行研究分析,也可以使程序对关键部位的应力、位移等跟踪记录,并可绘出应力(应变)与时间关系曲线。
2强度折减法及边坡破坏判定
2.1强度折减法
FLAC软件中对于边坡稳定性分析所采取的方法为强度折减法,即将土体的强度指标:粘聚力C与内摩擦角Φ除以一个折减系数Fs而得到新的强度指标C’与Φ’,用新的强度指标代替原来的指标进行试算,之后在不断的选取不同的折减系数进行计算,直到滑坡达到极限平衡为止,此时的Fs就是滑坡的安全系数。
使用强度折减法的好处就在于不用事先确定边坡滑动面的形状和位置,且可以直接得到安全系数,对滑坡破坏的过程也可以有相对较深的了解。
2.2边坡破坏判定
如果边坡发生破坏,将产生较大位移,滑坡将由静止变为运动状态,其位移和塑性应变不再是一个定值,是出于一个流动状态,这就是边坡破坏的表象特征。
由于FLAC软件采用强度折减法进行滑坡稳定性计算,故计算所得到的安全系数在一定程度上取决于所采用的边坡破坏标准,大多数情况下,边坡的破坏是以剪应变从坡脚到坡顶由下至上贯通为破坏标准,软件计算中则是以力和位移的不收敛作为破坏标准的。
3工程实例
3.1实例介绍
甘肃某乡镇存在一碎石土滑坡。原斜坡坡向146°,坡度25°~30°,该斜坡由老滑坡堆积体—碎石土组成。坡体破碎,冲沟发育,人工改造强烈。滑坡体南北长215m,东西宽105m,滑动方向146°,前缘堆积于河漫滩。周界呈舌形,滑坡后缘海拔1157m,前缘海拔高程1052m,相对高差105m,滑坡体自然坡度25°~38°不等,滑体平均厚15m左右,体积约为40×104m3。经过实地勘查知该滑坡为牵引式滑坡。
3.2参数选取
通过对现场的勘查及取样结果得出该滑坡力学参数(见表1)。
表1滑坡力学参数信息
滑体容重
(kN/m3)内摩擦角
(°)粘聚力
(kPa)变形模量(mPa)泊松比
取值203117460.16
3.3模型建立并计算
1)对整个滑坡进行模拟计算。
根据现场勘查状况,对其进行简化处理抽象出模型,即对坡面上几处拐点进行坐标确定,模型与实测剖面完全按1:1进行模拟,几何模型
如图1。
图1模拟滑坡几何模型图
输入各项力学指标,对滑坡进行计算,结果如图2、3。
由图1可知,该滑坡在静力条件下,安全系数为1.05,处于基本稳定状态,应力应变速率分布由0.00E+00到3.00E-05,应变主要分布于滑坡中部,如图中颜色所示。应变最大达3.00E-05(图中浅蓝色区域)即应力最大,变形最大处,正好位于滑坡前缘,高程1058m-1074m之间。图中速度矢量为灰色箭头图,由速度矢量图可见,滑坡后缘箭头短且沿坡面方向向下,滑坡前缘速度矢量箭头长且方向水平,由速度矢量图亦可说明该滑坡前缘处于节点位移较强烈地区。
同时,我们对该滑坡进行剪切应变增量进行分析(图2),从图中我们可以明显的看到一条剪切带,且其前缘增量最大。由岩体力学知识可知该大型滑坡的薄弱地带为图中的增量最大区域即为前缘地带也就是最容易失稳的地带。
图2滑坡安全系数、剪切应变速率及节点速度矢量图
图3滑坡剪切应变增量图
从图1、2中我们得出该滑坡前缘部分为整个滑坡最不稳定处,极有可能产生失稳或滑动状况,由于人工不能对滑坡滑动后的状态进行评估,故用FLAC软件对滑坡前缘滑动过后的状态进行模拟预测。
2)挖去前缘小滑坡对整个滑坡的影响模拟。
从野外勘查及室内验证可以看出,该牵引式滑坡的前缘滑动势必影响次一级滑动,从而带动整个滑坡滑动。现将滑坡去除前缘进行分析,前缘去除部分为FLAC中坐标为(32,21)到(12,5)部分。
参数取值同上,进行计算模拟得:
图4去前缘小滑坡后滑坡计算模型图
计算结果得出:去前缘的大型滑坡安全系数为0.98,剪应力应变率由0.00E+00到1.50E-05.图中白色方框区域为本次分析的重点区域,去除前缘的大型滑坡剪应力应变率产生了微妙的变化,白色方框区域内的应变率发生了断节的现象,中间有一部分区域被应变为0的区域所占据,由原来的一个完整带状分布区变为两个。由此可以得出,前缘小滑坡的滑动影响到大滑坡产生次一级滑动,且由于前缘存在临空面,剪出口位于滑坡坡脚处,故次一级滑动发生的区域即为滑坡前缘的紫色区域带。
安全系数为0.98的滑坡为不稳定滑坡,为了将其滑动机理进行详细模拟,假设次一级滑动依然发生,对滑坡进行模拟。
3)去除次一级滑动部分对大滑坡进行模拟。
建立几何模型:
前缘挖除部分在FLAC中的坐标值为(50,34)到(12,5)。
参数取值同上,进行计算模拟得:
图5去除次一级滑动部分的滑坡计算模型图
计算得出该滑坡安全系数为0.87,属于极不稳定状态,应力应变率由0.00E+00到9.00E-05.图中发生应力应变的区域为带状区域,从挖去的次一级坡脚开始,直到边坡顶部,增量及速度矢量较密集分布于前缘
区域。
分析得知,该滑坡前缘为最不稳定地区,应变率由带状区域两边向中间逐步减小,前缘土体变形最严重,滑坡极有可能由前缘剪切而出。
4FLAC在滑坡稳定性分析中的可行性
4.1FLAC模拟结果与野外勘察结果相一致
由于对该工程实例同时进行了野外勘察与室内验算,故两者结论可以相互验证。通过FLAC软件对该滑坡整体进行模拟计算得出前缘为较易失稳部位,即为野外对滑坡进行勘察时滑坡前缘出现裂缝部位,裂缝最大宽度3.3m,垂直下错5.0m,延伸24.0m。
4.2FLAC对牵引式滑坡的滑动机制可以进行预测模拟
由于人工勘察只能对滑坡的现状进行了解与分析,对其之后的发展趋势进行预测评价,但是预测的依据往往不充分,通过对FLAC软件的了解,通过一次一次削方的模拟,对整个滑坡的滑动方式、滑动机制进行了预测模拟,对我们设计防治工程有很大的帮助。
4.3FLAC对所分析对象的整体受力有直观的反应
通过一定的工程措施只能对滑坡某点或某个线上的情况进行分析,而FLAC软件可以完全模拟整个滑坡各个节点的受力及应变情况,对整个滑坡的分析有很大帮助,同时,不需要假定滑移面的形状,也无需进行条分,根据位移情况,可以看出边坡发生破坏时的潜在滑移面,以此判断边坡的破坏机理。
5结束语
通过了解FLAC软件计算过程及原理,掌握FLAC软件使用方法,并应用该软件对牵引式滑坡滑动机理及其稳定性进行分析。分析结果与滑坡勘查结果基本吻合,模拟出的贯通破坏面基本与滑坡滑面一致,计算的安全系数可直接用作稳定性计算,软件较好的模拟了滑坡破坏过程,论证了该软件在滑坡分析计算中的可行性,故该软件对边坡稳定性分析存在着巨大价值。
参考文献
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