基于FLAC3D的路塹邊坡穩定性分析

羅賢歡　吳琦

摘 要：【目的】道路切割坡體、暴雨和車輛荷載等條件會對路塹邊坡的穩定性造成極大的影響。本研究以輝縣市上八里鎮回龍村張溝邊坡為例，根據邊坡所處的環境特征，分析其在不同工況影響下的變形特征及穩定性，為邊坡的防治提供依據?！痉椒ā渴褂肍LAC3D軟件對邊坡進行數值模擬，研究邊坡在天然和暴雨條件下的變形和穩定性，并調用FLAC3D內置的Fish函數對路塹邊坡坡前道路車輛產生的動荷載進行模擬，對動荷載下滑坡體內部的變形特征進行分析?！窘Y果】①邊坡在天然和暴雨情況下的穩定性系數分別為1.9和1.186；②坡前公路動荷載峰值由1×105 N增加為1×106 N時，坡腳處水平最大應變值增大13.4%，后緣水平最大應變值增大13.2%?！窘Y論】暴雨降低了巖土體的強度，直接破壞了邊坡的穩定性，坡前豎直方向動荷載增加了坡體水平方向剪切帶的連續性，但其對坡體最大應變量造成的影響較小。

關鍵詞：輝縣市；路塹邊坡；FLAC3D；動荷載；穩定性

中圖分類號：U416.1? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）03-0060-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.03.012

Stability Analysis of Cutting Slope Based on FLAC3D

LUO XianhuanWU Qi

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046，China）

Abstract： [Purposes] The conditions of road cutting slope body， rainstorm and vehicle load have great influence on the stability of cutting slope. In this study， zhanggou landslide in Huilong Village， Shangbali Town， Huixian City is taken as an example， to analyzes the deformation characteristics and stability of the landslide under the influence of different working conditions， so as to provide a basis for slope prevention. [Methods] The FLAC3D software was used to simulate the deformation and stability of the slope under natural and rainstorm conditions， and the FLAC3D built-in Fish function was called to simulate the dynamic load generated by the road vehicles before the cutting slope， and the deformation characteristics of the landslide body under the dynamic load were analyzed. [Findings] ① The stability coefficient of the slope in natural and rainstorm conditions is 1.9 and 1.186 respectively; ②When the peak dynamic load of the anterior slope highway increases from 1×105 N to 1×106 N， the horizontal maximum strain value at the slope foot increases by 13.4%， and the horizontal maximum strain value at the posterior edge increases by 13.2%.[Conclusions] The rainstorm reduces the strength of the rock and soil mass and directly destroys the stability of the slope， and the vertical dynamic load before the slope increases the continuity of the horizontal shear band， but the influence on the maximum stress variable of the slope body is small.

Keywords： Huixian city; cutting slope; FLAC3D; dynamic load; stability

0 引言

近年來，在極端天氣及人類工程活動的影響下，地質災害頻發，滑坡災害嚴重威脅人民的生命財產安全。我國中西部太行山區滑坡時有發生，特別是受到暴雨及人類活動等的影響，邊坡很可能失穩，造成不可估量的損失。為完善滑坡的防治預警，需要對不同條件下邊坡的穩定性和破壞機理進行分析。目前，數值分析方法已成為滑坡穩定性分析的一種重要方法［1］。使用FLAC3D軟件的強度折減功能［2］進行數值計算的優勢是可模擬不同工況下邊坡的穩定性情況，同時FLAC3D亦能準確高效地反映滑坡潛在滑移面所處的位置及滑坡體內部的變形特征和受力情況。

本研究以輝縣市上八里鎮回龍村張溝邊坡為例，使用FLAC3D作為數值模擬手段分析暴雨和坡前動荷載［3］下張溝邊坡的穩定性，從而揭示該邊坡的破壞機理，為后續邊坡的防治提供依據。

1 邊坡區工程概況

1.1 邊坡區地理條件

輝縣市位于太行山脈與華北平原的交接地帶，交通便利，是河南省地質災害多發區之一。張溝邊坡位于輝縣市上八里鎮回龍村張溝公路東側，交通條件較好。其氣候為暖溫帶大陸性季風氣候，四季鮮明，多年平均降水量為621.58 mm，降水量在時空上分布不均，暴雨主要集中于5—9月，降水量由平原向山區增大，且常有短時強暴雨和連續暴雨，是區域內災害的主要誘發因素。

1.2 邊坡區工程地質條件

邊坡區為中山地貌，地勢陡峻，地形地貌復雜，地形坡度為14°～34°，總體坡度為21°，西南低東北高，上緩下陡，海拔為1044～1168 m，相對高差124 m，坡體傾向274°。邊坡區斷裂構造發育，切割強烈，存在較強的侵蝕作用，地層屬華北地層大區-山西地層分區-太行山地層小區，出露地層由老到新為中元古界汝陽群云夢山組、古生界寒武系下統辛集組與朱砂洞組、寒武系下中統饅頭組，以及新生界新近系和第四系，并以寒武系分布最廣，具體如圖1所示。主要巖性組成為泥晶灰巖、石英砂巖、灰巖和頁巖。

1.3 邊坡基本特征

根據野外調查情況，張溝邊坡長約為130 m，寬約為100 m，滑坡體厚度為30～60 m，總體積約為7.15×105 m3，為局部巖質順層邊坡。邊坡整體呈不規則形，左、右側以沖溝為界，后緣至山脊陡坎處。邊坡前緣因修路切坡形成陡坎，坎高10～30 m，坡面泥晶灰巖風化破碎嚴重，中間夾有數層軟弱夾層，易形成局部巖石懸空帶，每年春季開凍及夏季雨水沖刷造成坡面巖石大量墜落。坡腳滑帶處常年有水滲出，后緣有圈椅狀裂縫出現，雨季時水量增大，將對滑體穩定性產生較大影響。通過對工程鉆探、室內土工試驗結果及物探資料進行分析，滑動面分布在泥晶灰巖破碎帶中，如圖2所示。其主要為寒武系下統饅頭組第一段底部泥晶灰巖，其巖體破碎，溶孔發育且含有泥質充填，平均厚度為4.0 m，為滑坡體內最大剪應力集中面，滑床為中元古界汝陽群石英砂巖，滑體巖性為寒武系泥晶灰巖、薄層灰巖，局部出露頁巖。

2 基于FLAC3D 的邊坡穩定性分析

2.1 研究方法

為了深入分析邊坡的穩定性和破壞特征，選用FLAC3D軟件對該邊坡進行仿真模擬。FLAC3D是有限差分法模擬軟件，采用顯式差分法完成運動方程及動力方程的計算［4］。本研究使用其內置的強度折減法對天然和暴雨條件下邊坡的穩定性系數進行計算，并通過Fish函數在坡前公路施加動荷載來研究邊坡的變形情況。

2.2 模型建立及參數選取

將研究區5 m×5 mDEM柵格數據導入ArcGIS軟件中，使用其“Spatial Analyst工具”的表面分析功能生成等高線，將等高線數據導入Rhino 7軟件中，完成邊坡模型的建立。該邊坡模型沿x軸方向長約290 m，沿y軸方向寬約390 m，沿z軸方向最高點約310 m。為了保證計算的精確性，堆積體、滑動體的網格尺寸為3～4 m，基巖部分的網格尺寸為5 m，模型共劃分253 640個節點、311 127個單元，各邊界點均耦合。模型頂部坡面邊界為自由邊界，模型四周邊界和其底部均約束法向位移，根據勘探所得資料劃分地層，得到模型如圖3所示。模型建立后直接導入FLAC3D中，使用FLAC3D內置的Mohr-Coulomb本構模型進行計算。通過鉆探取樣、室內試驗及與該地區相關文獻類比［5-6］，得出邊坡巖土體計算參數，見表1。

2.3 天然、暴雨條件下邊坡的穩定性分析

模擬得出邊坡于天然條件下穩定性系數為1.9，處于穩定狀態，該狀態的邊坡中下部存在較為明顯的剪切應變區。最大剪應變區位于邊坡坡腳處泥晶灰巖和薄層灰巖的接觸區域。此時邊坡最大剪切應變云圖如圖4（a）所示，該邊坡最大剪切應變增量為0.315，坡腳處出現連續的剪切應變區域。選取主剖面的剖面如圖4（b）來觀察坡體的應變情況，y方向上剪切變形主要存在前緣處，此時滑體后緣剪切應變較小，且剪切帶的整體性較差。最大主應力云圖如圖4（c）所示。由圖4（c）可知，較大的應力區分布于滑體與灰巖接觸的后端和滑體后緣部分?？赏茰y由于下滲的雨水從坡腳順層流出，該區域未達到長期飽和的條件且風化程度較低，成了給邊坡提供抗滑力的主要區域。經過分析坡體內部存在滑動趨勢，但剪切帶內部不連續，說明邊坡天然狀態下未形成連續的滑動面，整體處于穩定狀態。

暴雨工況下邊坡后緣出現較為明顯的剪切帶，如圖5（a）、5（b）所示。剪切帶一直延伸到破碎帶和薄層灰巖的接觸處，此時坡體重度增加，滑體前段在水平方向上的應變明顯增大，由滑體前緣剪切區域向上擴散，由此可知滑體后部的接觸帶被逐漸拉張破壞，而邊坡前緣后方約10 m處至滑帶深處部位的剪應變仍不明顯。最大主應力云圖如圖5（c）所示，由圖可知，此時分布在滑帶處的應力區更為集中。與天然工況相比，滑體下部的受力區域變小，這表明暴雨工況下滑面開始出現塑性破壞，中下部提供的抗滑力區域也逐漸減小，在長期風化后便會在重力作用下失穩滑動。此時邊坡的穩定性系數為1.186，處于極限平衡狀態，邊坡基本穩定。

根據一系列的模擬結果，得到該邊坡在不同工況下主剖面的總位移矢量圖如圖6所示。由圖6可知，天然工況下主要的位移區分布在邊坡下部；暴雨工況下，滑體下滑的趨勢和規模比天然狀態下大得多，初步判斷邊坡此時即將失穩。

2.4 動荷載作用下邊坡的變形特征

除了暴雨對邊坡穩定性的影響，坡前公路來往車輛的擾動也可能使邊坡內部發生變形破壞［7］。使用FLAC3D內置的Fish函數對邊坡施加動力波來模擬過路車輛對道路產生的荷載，以此研究天然工況下豎直方向同頻率不同振幅的動荷載對邊坡的影響。函數見式（1）。

[wave = 1+ math.sin（zone.dynamic.time.total*100）] （1）

該函數施加的動荷載波為正弦波，加載位置為坡前5～20 m的區域，收斂條件保持一致，“zone.dynamic.time.total”為動力施加的總時間，“wave”的值在0～2之間反復波動，“A”與“wave”之積即為道路實時荷載，對“A”分別賦值1×105 N、2×105 N、3×105 N、4×105 N、5×105 N及1×106 N，得到主剖面y方向應變云圖，如圖7所示，同時對模型坡腳a點（266.2，45.4，132.2）和后緣b點（263.3，136.4，191.5）的應變增量進行監測。

由圖7綜合對比圖4可知，施加動荷載后滑體前緣在水平方向相較于沒有加載時出現更大區域的剪應變，滑體后部應變量增大且剪切帶更加均勻，可知在動荷載的作用下，滑動面逐步貫通，加劇了滑體與滑床之間的塑性破壞。然而，隨著動荷載的加大，邊坡水平方向的應變增加較為緩慢，模擬監測結果如圖8所示。當A的值由1×105 N增加到1×106 N時，a點處水平最大應變值增大13.4%，b點處水平最大應變值增大13.2%，說明動荷載大小在有限的范圍內對于邊坡最大的應變量并無太顯著的影響。

3 結論

通過利用FLAC3D數值模擬對比分析天然和暴雨工況下邊坡的穩定性，并揭示路塹邊坡在坡前公路荷載作用下邊坡變形破壞的特征，模擬結果與實際勘察分析結果相吻合，得出以下結論。

①切坡造成坡腳巖體應力集中，在暴雨工況下滑體中下部有較大滑動的趨勢，邊坡前緣后方約10 m處至滑帶深處區域強度相對較高，為提供抗滑力的主要區域。

②天然和暴雨工況下的穩定性系數分別為1.9和1.186，暴雨降低了巖土體的強度，直接破壞了邊坡的穩定性。坡前豎直方向動荷載增加了水平方向剪切帶的連續性，但對坡體最大應變量的影響較小，長期綜合作用下邊坡隨時有滑動的可能。

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