基于FLAC理論的邊坡穩定性分析

趙輝

摘要：為了更好地對邊坡穩定性進行分析并采取有效治理，本文利用FLAC法對邊坡穩定性進行分析，并將其與傳遞系數法進行對比，結果表明，兩種方法計算結論基本一致，但FLAC法能反映出邊坡體內的應力和應變變化規律，同時可以提出更加合理的治理方案，對有效消除邊坡隱患具有較強指導意義。

關鍵詞：FLAC，應力，應變，邊坡穩定性

中圖分類號： O347 文獻標識碼： A

在邊坡評價與治理中常采用基于極限平衡理論計算邊坡穩定系數的傳遞系數法。此法求出的土體間內力和滑裂面底部反力不是真實存在的力，也無法分析穩定破壞的發生和發展過程，更無法考慮局部變形對邊坡穩定的影響，求出的穩定性系數只是所假定的滑裂以上的平均安全度，而不能很好地反映土體內部應力一應變關系 [1]。木文結合工程實例，通過采用極限平衡法和基于強度折減的FLAC法對邊坡穩定性問題進行對比分析，評價基于強度折減的FLAC法在邊坡穩定問題分析的適用性，反映出邊坡體內的應力和應變變化規律。

一、FLAC的基本原理[2]-[4]

FLAC是由美國Itasca Consulting Coup lnc開發的三維顯式有限差分法程序，它可以模擬巖土或其它材料的三維力學行為。它可隨著構形的不斷變化，不斷更新坐標，允許介質有較大的變形。模型經過網格劃分，物理網格映射成數學網格，數學網格上的某個結點就與物理網格上相應的結點坐標相對應。對于某一個結點而言，在每一時刻它受到來自其周圍區域合力的影響。如果合力不等于零，結點就具有了失穩力，就要產生運動。對于每一個區域而言，可以根據其周圍結點的運動速度求得它的應變率，然后根據材料的本構關系求得應力的增量。由應力增量求出和時刻各個結點的不平衡力和各個結點在時的加速度。對加速度進行積分，即可得結點新的位移值，由此可以求得各結點新的坐標值。

FLAC先調用運動方程由網格點速度求得單元應變率，由應力應變本構關系計算單元應力，從而確定結點的合力，若網格點受到的合力不等于零，那么它就具有不平衡力，進而可以求得網格點新的速度和位移，到此計算為一個循環，然后按時步進行下一步的循環，直到問題收斂，即單元的最大不平衡力隨時步增加而逐漸趨于極小值，則計算穩定，循環結束。

二、舉例

本文以某邊坡為例進行穩定性分析。該邊坡坡高10m，由兩部分組成，0-4m為粉質黏土，4m以下為弱風化的花崗巖，按照鐵路規范，由粉質黏土組成的土坡放坡比例為1：1.5，坡度較緩，由花崗巖組成的巖坡放坡比例為1：0.75，坡度較緩，原始模型如圖（1）所示。

圖1 原始邊坡模型

本文分別采用了geoslope程序中傳遞系數法和FLAC分析程序對該邊坡進行了數值模擬，利用geoslope程序獲得了邊坡的潛在破裂面位置圖(見圖2)，利用FLAC程序獲得了該坡剪應力布云圖、剪應變分布云圖以最大不平衡力隨時間的變化曲線（見圖3~5），同時分別計算穩定性系數，兩種方法計算的穩定性系數均為1.6。

圖2邊坡的潛在破裂面位置圖

圖3 剪應力布云圖

圖4 最大不平衡力分析圖

圖5邊坡位移場分析圖

結語：

本文采用基于強度折剪的 FLAC程序，逐步分析折減土體和巖體的力學參數，改變土體的屈服準則，計算邊坡的應力應變，由此判斷邊坡是否處于穩定狀態,并以破壞前土坡達到臨界狀態的折減系數為穩定性系數，由剪應變分布云圖（圖3）和位移場（圖5）可知，最大剪應變和最大位移主要都集中在坡腳處，而采用傳遞系數法對坡體進行數值模擬（見圖2）所得到的潛在破裂面也在坡腳處，而且二者所得的穩定性系數是一致的，所以二者所得結論基本一致，這也印證了破裂面通常在坡腳發生的事實。但是，與傳遞系數法相比，用FLAC 法對邊坡進行穩定性分析，可得到邊坡體內各單元的應力圖和應變圖，更詳細地了解邊坡內應力和應變的變化規律，為后期邊坡治理方案的選擇及設計提供可靠的依據。由于 FLAC在巖土工程中具有廣泛的應用價值,當然它不僅僅限于邊坡，還可應用于其他靜力、動力、蠕變、滲流和溫度等領域的分析。

參考文獻：

[1]白秋生 何健. FLAC 法在三峽庫區滑坡穩定性分析中的應用[J].三峽研究,2006（03）

[2]鄭穎人 趙尚毅. 巖土工程極限分析有限元法及其應用[J].土木工程學報，2005（3）

[3]劉波 韓彥輝. FLAC原理、實例與應用指南[M] .北京:人民交通出版社 ,2005

[4]張斌 劉 聶德新等.高速公路泥巖邊坡時效變形破壞機理分析[J].巖石力學與工程學報,2003（22）