基于FLAC 3D的边坡治理设计方案的数值模拟验证分析

张传 张晟 路思明

摘 要：边坡治理设计方案在真正实施之前需要验证其合理性和可行性。而验证方案的合理性和可行性需要通过与设计方案不同的方法来进行验证。本边坡治理设计方案采用的是极限平衡法与岩土理正软件进行设计的，为了验证本方案的合理性与可行性，本文将采用FLAC 3D+强度折减法对原方案进行数值计算模拟验证，然后对验证过程与结果进行分析，对原方案进行必要的补充与完善，以期最终能得到一个更优的边坡治理方案。

关键词：治理设计方案;边坡稳定性;FLAC 3D;强度折减法;数值模拟

中图分类号：U416.14;U442.2 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2020）31-0089-04

Numerical Simulation and Verification Analysis of Slope

Treatment Design Scheme Based on FLAC 3D

ZHANG Zhuan ZHANG Sheng LU Siming

（Jiangxi Vocational College of Applied Technology，Ganzhou Jiangxi 341000）

Abstract： The rationality and feasibility of the design scheme of slope control should be verified before it is implemented. The rationality and feasibility of the verification scheme need to be verified by a different method from the design scheme. The limit equilibrium method and the geodetic software are adopted. In order to verify the rationality and feasibility of the design scheme， in this paper， Flac3d + Strength reduction method was used to carry out numerical simulation verification of the original scheme. And then the verification process and results were analyzed to make necessary supplement and perfection of the original scheme. It is hoped that a better scheme of slope treatment can be obtained.

Keywords： governance design;slope stability;FLAC 3D;strength reduction method;numerical simulation1

1 工程概况

拟治理区位于信丰县某住宅小区北侧和东侧，其中北侧边坡为工程建设过程中开挖形成的高陡边坡。通过现场调查可知，切坡高度8～20 m，切坡整体宽约100 m，其坡度45°～65°。边坡坡脚已布置高约4 m、厚约0.4 m的钢筋混凝土挡板，起拦挡边坡碎石的作用。由于边坡高陡，节理发育，边坡坡面及坡顶未采取支护措施，因此，在强降雨条件下边坡坡面及坡顶存在崩滑现象。项目上已经对此提出了边坡治理设计方案。该方案设计了分级降坡+挂网锚喷+截排水沟等一系列综合治理措施，并采用极限平衡法与岩土理正软件进行计算分析。为了验证该方案的合理性和可行性，本文将采用强度折减法和FLAC 3D模拟软件对其进行验证[1]。

2 计算模型的建立及相关参数选取

本模型的建立及物理参数取值依据该工程治理设计方案，抓住问题的关键，力求还原真实的边坡原貌，从而获得可靠的计算分析结论。通过查阅项目上边坡治理设计方案可知边坡岩土体的物理参数如表1所示。

为了增加模拟验证的说服力，本模型选择与项目上的治理设计方案相同的198°方向的主滑剖面A-A代表滑坡隐患体进行岩土体的建模，具体如图1所示。

计算模型沿[x]、[y]、[z]方向的计算范围为50 m×2 m×26 m。在[x]、[z]方向拓宽边界[2H]（[H]为边坡的高），以减少边界范围对计算结果的影响。在[y]方向选择一个最小单元剖面长度2 m来满足锚杆的布置方式，对模型的[x]=0，[x]=50，[y]=0，[y]=2，[z]=0所在平面边界进行约束，仅上表面为自由面，建立一个平面等效模型，采用适于岩土体分析的摩尔-库伦本构关系进行求解[2]。

岩石的弹性模量及泊松比选用参考《工程地质手册》（第五版）中的相关经验值，岩土参数选用该治理工程勘察值，见表2，锚杆、水泥浆信息参考治理工程相关设计参数和FLAC 3D5.0手册所提供的经验计算公式[1]。

3 数值模拟计算结果与分析

3.1 边坡原始状态暴雨工况下计算结果与分析

选用该边坡在暴雨情况下的岩土参数（见表3）所建立的模型与求解结果如图2（a）、（b）所示。

从计算结果图可知，该边坡在暴雨情况下稳定性系数为1.01，与理正岩土软件所得结果几乎一致。对比图2的两张图片并根据最大剪应变增量云图的分布，可以清楚地看到其临界失稳破坏状态滑面的位置，即位于强风化岩与破碎强风化岩接触面。这样一来也就佐证了前面利用理正岩土软件计算时所假设的潜在滑动面的位置是正確的。因此，该边坡在暴雨情况下是达不到一个安全稳定的条件的，需要采取相应的治理措施[3]。

3.2 边坡削坡后暴雨工况下计算结果与分析

削坡后，基本清除了坡体表面的破碎强风化岩，裸露的为强风化变质板岩，选用强分化板岩的岩土参数见表4。模拟在暴雨工况下该边坡削坡后的情况，建模分析结果如图3（a）、（b）所示。

削坡后，边坡整体自重应力减小，稳定性显著增加，稳定性数系数为1.39，相比未削方前暴雨状态下的稳定性系数增加了0.38，治理效果非常显著。结合最大剪应变增量云图和临界状态下的坡体位移等值线分布图，能较好反映出极限状态时滑裂面位于0.05 m实线位置。

3.3 边坡削坡锚固后暴雨工况下计算结果与分析

接着在削坡的基础上进行锚固处理，所采用的全长注浆无预应力锚杆参数见表5，计算结果如图4（a）、（b）所示。

边坡锚固后其稳定性计算结果为1.55，较锚固前提高了0.16，结合最大剪应变增量云图和临界状态下的坡体位移等值线分布图，能够较好地反映出极限状态时滑裂面位于0.04 m实线位置。该位置较锚杆锚固端位置更深一些，这也说明了在锚杆强度足够的情况下边坡一旦失稳，破坏面将沿锚杆锚固端的位置发展[4]。

4 结果分析对比

通过查阅项目上该边坡治理设计方案，结合本文的数值模拟计算结果，可得两种计算方法的结果对比如表6所示。

从表6可知，FLAC 3D数值计算结果较理正软件略大，但是总体差别不是很大。总之，通过FLAC 3D数值计算验证了该边坡治理设计方案是可行的[5]。

在数值计算中，锚固后的安全系数提高值仅为0.16，而在理正计算中其提高值为0.249。原因在于锚杆锚固端位置比锚固前的滑面位置深一点，所以受锚杆设计长度的限制导致其并未发挥较大的作用[4]。

5 结论

综上可知，在分析边坡稳定性时结合几种原理不同的分析方法來对边坡进行分析评价是有必要的，通过不同方法之间的优势互补，相互比较印证有利于完成一个更为复杂的边坡分析，从而对边坡有一个更为综合全面的认识，以便进行下一步来为边坡治理设计提供一个最优的方案，这也是目前边坡稳定性分析的一个发展趋势。本文通过利用强度折减法和Flac3D软件数值模拟计算，验证了该边坡治理设计方案的合理性和可行性[5]。

参考文献：

[1]黄润秋.边坡治理工程的数值模拟研究[J].地质灾害与环境保护，1996（1）：69-76.

[2]拜亚南.攀煤高边坡稳定性分析及治理设计研究[D].成都：成都理工大学，2006.

[3]刘动.城市快速公路边山体滑坡治理设计研究[J].土工基础，2015（4）：40-43.

[4]冯磊，李智武，杨仕教.炎汝高速公路边坡锚杆-放坡支护协调优化设计[J].南华大学学报（自然科学版），2018（5）：55-59.

[5]王率.基于FLAC3D数值分析方法的前郭县朝阳村后山滑坡稳定性研究及治理设计[D].长春：吉林大学，2018.