某大桥边坡稳定性FLAC3D数值模拟分析

关键词： 数值 破坏 模拟 边坡

某大桥边坡稳定性FLAC3D数值模拟分析（共6篇）

篇1：某大桥边坡稳定性FLAC3D数值模拟分析

高土边坡稳定性的数值模拟研究

采用有限单元法,对某高土边坡在无辎重荷载、均匀辎重荷载和不均匀辎重荷载工况下的`边坡稳定性进行计算对比分析,结果表明.荷载对边坡稳定性影响较大,不均匀辎重荷载工况下的边坡稳定性相对较差.需及时采取加固措施.同时,有限单元法能直观的反映出高土边坡应力、应变和塑性区情况,为高土边坡加固提供了依据.

作 者：黄春燕 尚雄斌 郑付明 HUANG Chun-yan SHANG Xiong-bin ZHENG Fu-ming 作者单位：中南电力设计院,湖北武汉,430071刊 名：广西水利水电英文刊名：GX WATER RESOURCES & HYDROPOWER ENGINEERING年，卷(期)：2009“”(2)分类号：P642.2关键词：边坡稳定 有限单元法 高土边坡

篇2：某大桥边坡稳定性FLAC3D数值模拟分析

1 软件简介

拉格朗日元显式有限差分计算是一种分析非线性大变形的数值方法, 这种方法遵循连续介质的假设, 利用差分格式, 按时步积分求解, 随着构型的变化不断更新坐标, 允许介质有大的变形, 拉格朗日元显式有限差分计算具有以下优点:1) 能够准确地对塑性破坏和塑性流动模型进行描述;2) 全动态的分析使得它适合于解决物理上的不稳定过程问题;3) 计算时无需存储任何计算矩阵, 因此计算大应变问题时几乎不增加运算机时, 大大提高了运算速度。

FLAC3D有一个功能强大的网格生成器, 有12种基本形状的单元可供选择, 利用这12种基本单元体, 几乎可以构成任何形状的空间立体模型。用户可根据模拟对象的实际形状, 选用不同的多面体基本单元建立模型。每个单元的物理力学行为根据模拟对象的实际变形破坏准则和实际的边界条件而定。在计算过程中, 材料可以屈服, 对于大变形的情形下甚至网格也可以变形和移动。FLAC3D的优点还体现在拥有内嵌FISH语言, 用户可根据自身需求进行编程, 设计材料的本构模型、屈服准则、支护方案、复杂形状的开挖方式等。

利用FLAC3D进行工程计算包括以下过程:1) 模型建立, 包括产生网格、确定材料性质及边界条件;2) 运行程序, 建立原始平衡;3) 若运行结果不理想则应修改模型, 应根据实际工程情况改变模型的相关条件, 重新运行程序达到新的平衡或出现某种形式上的变形与破坏;4) 结合其他资料对运行结果进行评价。

2 某大桥边坡稳定性数值模拟

某大桥是国道线上跨越峡谷的一座特大桥, 在大桥初步设计阶段, 有465 m斜拉桥和536 m悬索桥两种方案。峡谷宽约50 m, 两岸地形陡峭。其中镇宁岸边坡高321 m, 纵向上地形坡度25°～30°, 临河岸为陡崖;胜境关岸边坡高286 m, 坡度50°, 主塔基础前的卸荷裂隙十分发育[3,4]。

2.1 计算模型

根据大桥中轴线工程地质纵断面图, 按照桥址区出露地层的岩性及其风化程度, 把地质单元分为强风化泥质白云岩 (三叠系中统杨柳井组第二段T2y2和第四段T2y4) 、弱风化泥质白云岩、微风化泥质白云岩、强风化白云岩 (三叠系中统杨柳井组第一段T2y1和第三段T2y3) 、弱风化白云岩、微风化白云岩、卸荷强风化泥质白云岩、卸荷弱风化泥质白云岩、卸荷强风化白云岩、卸荷弱风化白云岩共10种不同的岩体材料。

2.2 计算参数

为了确定桥址区岩体的物理力学参数, 用两种岩体质量评价方法:GB 50218-94工程岩体质量分级标准和GB 50287-99水利水电工程地质勘察规范对边坡岩体进行了质量评价, 分别得到岩体基本质量指标 (BQ) 和总评分 (T) (见表1) 。表1显示, 两种方法结果相差不大, 说明评价方法的选取是合理的。然后根据《工程岩体质量分级标准》得到桥址区岩体物理力学参数建议值 (见表2) 。

2.3 边界条件

1) 桥址区地震基本烈度为6度, 地震最大水平加速度取0.58 m/s2;2) 在顺桥向 (x方向) 两侧面上限制顺桥向的水平位移;3) 在横桥向 (y方向) 两侧面上限制横桥向的位移;4) 在模型底面上限制铅直 (z方向) 位移。

2.4 主塔承台的加载

把主塔承台简化为矩形截面梁, 竖向力以均布正应力方式加载, (纵向和横向) 弯矩以带有梯度的 (拉和压) 正应力方式加载, (纵向和横向) 水平力以最大剪应力方式加载在承台表面上[6]。根据表3的承台反力, 计算出正应力和剪应力, 见表4。

2.5 数值模拟结果

数值模拟结果表明 (见表5) :1) 两岸自然边坡整体稳定;2) 在边坡自重、大桥荷载和地震作用下, 边坡屈服区不明显, 应力较小, 位移不大, 边坡整体稳定;3) 斜拉桥和悬索桥造成岩体的应力和变形接近, 无明显差别。

3 结语

1) 边坡稳定性工程地质评价和数值模拟结果都表明, 大桥桥址区边坡稳定性较好, 未见对主塔稳定不利的大型不稳定块体, 桥位合适, 具备建桥条件。2) FLAC3D软件可以顺利地建立地形复杂的三维模型, 对边坡岩体在自重、荷载、地震等复杂外力作用下的稳定性进行计算, 是一种先进的岩土计算软件。

参考文献

[1]陈祥军, 汤劲松.用FLAC3D进行马崖高边坡稳定性分析[J].石家庄铁道学院学报, 2002, 15 (3) :76-79.

[2]祁生文, 伍法权, 兰恒星.盘石头水库泄洪洞、导流洞进出口边坡稳定性分析[J].岩石力学与工程学报, 2002, 21 (3) :353-359.

[3]国家电力公司贵阳勘测设计研究院.镇宁至胜境关公路北盘江特大桥两阶段 (补充) 初步设计工程地质勘察报告[R].贵阳:国家电力公司贵阳勘测设计研究院, 2004.

[4]樊敬亮.高山峡谷地区大跨度桥梁岸坡稳定性分析、趋势预测及应用研究[D].北京:中国科学院地质与地球物理研究所, 2005.

[5]王成龙, 王保田, 李守光.基于FLAC3D强度折减法边坡稳定分析判据比较[J].山西建筑, 2007, 33 (2) :104-105.

篇3：某滑坡稳定性计算与数值模拟研究

摘要:文章以某滑坡为研究对象,分析了该滑坡的稳定性,并借助于FLAC数值模拟软件,对其变形中的应力和应变进行了分析,研究结果表明该滑坡处于欠稳定状态,需水后变形加大,因此需要工程治理。

关键词:滑坡;稳定性;数值模拟

中图分类号:P642 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)20-0140-01

1工程概况

该滑坡为一相对平缓的凹形坡地,总体倾向西,坡形为折线型,滑坡中部地形坡度较缓,坡角在10～2°之间,中前部及前缘和后部地形坡度较陡,前部地形坡度在25~30°之间,前缘近河边部位多形成5～10 m的陡坎,后部地形坡度在17~22°之间。滑坡区北侧山体倾向沿渡河的坡地呈直线型,坡度35～40°,倾向滑坡区一侧山坡坡地,多形成2~5 m的岩质陡坎,地形坡度较陡,坡度在35～40°之间,滑坡区南侧坡体,坡面形态不很规则,地形坡度在17～30°之间。

研究区地层在区域上划属扬子区巴东利川小区,区内出露地层主要为三叠系和第四系,三叠系为一套碳酸盐岩和细碎屑岩互层构成;第四系有残坡积、崩坡积、冲洪积和滑坡堆积层。

研究区在大地构造上位于新华夏系一级隆起带的第三隆起带,以及淮阳山字型西翼反射弧和长江中下游区域东西向构造带交汇部位,区域上经历了晚元古代末的晋宁、侏罗纪末的燕山、三叠纪的印支和第三纪以来的喜马拉雅四次大的构造运动,随着中三叠世以后构造变动的加剧,形成了北西向、东西向、北东向、北北东向及北北西向等一系列不同方位、不同性质和不同特征的构造形迹,其中的东西向构造带是极为重要的构造体系之一,主导着研究区所在区域的基本构造构架,该滑坡就位于该构造带奉节复向斜的黄家河向斜南翼。

2稳定性计算

根据野外地质调查和宏观分析,滑坡可能的变形破坏模式为沿岩土界面滑移。其他坡段基本上不存在整体滑移的几何边界条件,不会发生整体的变形破坏,但存在表层风化破裂岩体的塌落、掉块等。

考虑滑坡区域可能遇到的各类情况,特别是最危险的情况,由于区内基本地震烈度为6°,可不考虑地震的影响,故综合确定以下两种计算工况:

①天然状况(坡体自重);②虚水到490。本滑坡坡的安全等级为三级,根据《建筑边坡工程技术规范》规定,采用平面滑动法和折线滑动法计算安全系数为1.25,采用瑞典圆弧法计算安全系数为1.20。由现场勘察和稳定性计算结果分析,可得出以下结论:现状条件下,滑坡整体处于稳定或基本稳定状态,仅局部位置出现表层岩体的剥落、崩塌等小规模的破坏现象。

②在工况二的条件下,稳定性系数最低为0.86,安全储备不足,需要进行加固处理。

从分析结果来看,目前坡体处于欠稳定状态,预测评价滑坡易发展并将失稳。

3滑坡应力与变形数值模拟

为了了解天然状态和蓄水后区内斜坡岩土体的应力分布特征及变形破坏特征,并进行分析评价,特选用岩土工程数值分析的通用软件FLAC 3D进行模拟分析。可以得到各种不同工况下的 应力和应变分布情况,部分成果见图1。

从位移等值线图可知,天然状态下的滑坡变形主要为水平向,主要分布在滑坡前缘,而蓄水后,斜坡水平位移急剧增大,但分布规律不变,为前缘大、后缘小,表明该滑坡在蓄水后可能在前缘出现蠕滑,进而诱发后缘的滑移变形。由此可知,滑坡前缘是潜在失稳的关键部位,在治理和监测过程中应重点考虑。

4结 语

研究表明,目前滑坡处于欠稳定和不稳定状态,滑坡易发展,特别是蓄水后,其潜在危害性很大。建议采用治理措施。根据气象预报和水雨情,对水库运行做到科学调度,精心指挥,使库水位变化尽量平稳,不出现大幅骤降和迅速抬升,以减小对滑坡稳定性的影响。

参考文献:

[1] 刘春原,朱济祥,郭抗美.工程地质学[M].北京:中国建材工业出版社,2000.

篇4：某大桥边坡稳定性FLAC3D数值模拟分析

关键词：边坡,数值模拟,软件FLAC3D,应力场

我国地质条件复杂, 常常发生边坡变形破坏, 国家每年需花费大量资金进行边坡治理。边坡通常会发生变形和滑坡破坏二种。斜坡岩土体沿着贯通的剪切破坏面所发生的滑移现象, 称为滑坡[1]。滑坡的主要作用原理是滑动带 (简称滑带) 或某一滑移面上的剪应力超过了滑带或滑移面的抗剪强度所致。对边坡破坏形式认识和稳定性分析, 对于边坡的治理有着积极意义。在边坡稳定性分析方法中, 经常用到的有剩余推力法、极限平衡法和概率法等, 这些方法已经在边坡的稳定性分析得到了广泛应用[2,3]。由于上述的每种方法都有一定的局限性, 约束条件和假设条件较多, 有时候会给较带来较大偏差。数值模拟方法的出现, 由于其准确率高, 能预测边坡的变形破坏形式, 因而在边坡工程中得到了广泛应用, 因而常常为边坡工程分析提供科学的理论依据[4]。

1 滑坡的数值模拟分析

某边坡工程, 岩土结构特征上部覆盖层主要由残坡积体分布, 下伏为基岩。覆盖层主要由残、坡积堆积层组成, 其成分为碎石土及粘土夹碎石, 呈中密至密实状态, 厚约4.5~11.0m, 下层基岩为强化砂岩。此边坡工程位于降雨充沛地区, 降雨使得此边坡覆盖层的土质强度降低, 使得边坡容易发生变形和滑坡破坏。为了治理该边坡, 对该边坡的风化基岩进行了灌浆处理。为了对该边坡工程的稳定性进行预测和分析, 从现场采取岩土样进行室内试验, 室内试验以岩土相关试验规范标准执行。岩土样的取值根据相关《岩土工程勘察规范》, 结合现行边坡工程的经验取值而得。其边坡体的物理力学参数如下:上层土的天然容重1.8 23 g/cm3, 粘聚力为33k Pa, 内摩擦角12°, 下层风化砂岩的密度为2.72 g/cm3, 粘聚力为90k Pa, 内摩擦角28°, 抗拉强度0.08 k Pa, 剪胀角为25°。该边坡工程是否具有稳定性以及为了预测今后的发展变形, 该文运用模拟软件FLAC对该边坡进行了边坡稳定性分析。

该边坡工程地质的模型, 其边坡设计的计算模型如图1所示, 边坡单元划分为8个单元。选取的坐标系x轴为与边坡坡面走向垂直作为横坐标轴, 以边坡坡面走向的平行方向指向作为纵坐标y轴, 铅垂方向为z轴。同时, 结合该边坡工程实际情况, 计算模型沿边坡的x轴方向宽度值为245m, 沿边坡y轴方向的走向长度为365m, z向边坡底部高程为1 88 0 m。运用数值模拟软件FLAC3D计算时, 将边坡坡面设为自由边界, 模型底部设为固定约束边界, 模型四周设为单向边界。在初始条件中, 不考虑构造应力, 仅考虑自重应力产生的初始应力场和水压力。按照以上的约束条件, 进行Mohr-Coulomb模型为本构模型的弹塑性对该边坡工程的应力场规律分析, 从而分析边坡破坏的形式。

根据FLAC软件进行数值模拟分析, 分别得到图2和图3, 分别为该边坡的第一主应力σ1和第三主应力σ3云图。需要说明的是, 数值模拟FLAC3D软件中, 以拉应力为正, 压应力为负, 因此以绝对值的大小判定第一主应力σ1和第三主应力σ3。从图2和图3边坡主应力云图来看, 边坡并未出现明显的拉应力区, 总体基本上以压应力为主, 也就是说该边坡若发生破坏, 是以“压-剪”破坏模式为主, 不会以“拉-剪”破坏模式为主。

2 结语

采用数值模拟软件FLAC3D对边坡工程的应力场规律进行分析, 分析该边坡的破坏形式。从该边坡的第一主应力σ1和第三主应力σ3云图进行综合以上位移分析, 该边坡未出现明显的拉应力区, 总体基本上以压应力为主, 即该边坡若发生破坏, 是以“压-剪”破坏模式为主。运用数值模拟来对边坡进行应力场分析, 可以减少手工计算的工程量, 并且能有利于工程的判断和预测。

参考文献

[1]李智毅, 王智济, 杨裕云.工程地质学基础[M].武汉:中国地质大学出版社, 1990.

[2]时卫民, 郑颖人, 唐伯明.滑坡稳定性评价方法的探讨[J].岩土力学, 2003, 24 (4) :545-552.

[3]郑静.滑坡稳定性评价的方法及标准[J].中国地质灾害与防治学报, 2006, 17 (3) :53-57.

篇5：某大桥边坡稳定性FLAC3D数值模拟分析

在公路的设计与建设工程中, 岩土边坡的稳定性历来是岩土工程领域的一个热点研究课题, 也是公路施工以及维护考虑的重点, 公路边坡主要的荷载来源是其自身的重力以及公路的上部的各种荷载, 人们通常采用安全系数来评价其稳定性状态。安全系数是以极限平衡法为基础的一种评价指标, 由于其原理简单、物理意义明确, 而成为边坡稳定性分析中的重要、关键指标。

1 强度折减法

强度折减法是在边坡刚好达到临界破坏状态的时候, 对岩土体的抗剪强度进行折减并达到一定的程度[1]。

边坡的安全系数通常的定义是研究的岩土体实际抗剪强度与临界破坏时的折减后剪切强度的比值[3]。强度折减法主要是通过公式 (1) 和 (2) 来调整岩土体的c和。在数值模拟分析过程中, 通过不断的增加折减系数, 并进行反复的计算, 知道其达到了临界的破坏, 这时的折减系数就是安全系数Fs。

其中:为折减后的内聚力、为折减后的内摩擦角、为折减的系数。

2 数值模拟分析

2.1 工程简介

本文实例分析采用的是鹤大高速公路某段, 线位带自东北向西南展布于长白山山脉南部山区腹地, 地势总体东北高西南低。研究区设计带属于湿带大陆性气候, 四季分明, 气温变幅较大, 降水量随季节变化明显。沿线地层构造属华北地层分区之辽东分区, 地层以前震旦纪的混合岩、侵入岩和变质岩为主, 山间河谷及其两侧上覆第四纪松散土体。主要为上更新冲积层, 上部岩性具有二元结构, 上部为棕黄色、褐色亚砂土、亚粘土, 下部为黄褐色、灰白色砂砾石、砾卵石和漂石层。

2.2 模拟网格模型

模拟的边坡坡高为8m, 基底土体厚度为3m, 边坡H/B=1/1, 坡角距离左边界2m, 坡顶距离至右边界取10m。在本例的FLAC 3D分析中, y方向只采用一个单元宽度 (该方向取为0.5m) , 并对模型中所有节点的y方向速度进行约束, 以便等效地进行平面应变分析。生成模型如图1所示。

选取的土层为粘土, 物理力学参数指标如表所示。

2.3 安全系数求解

毕肖普法是分析土质边坡的一种方法, 是条分法的一种, 该方法在考虑土条的侧面受力的条件下, 假定个土条的抗滑安全系数一定, 即整个滑动面的平均安全系数。实际计算中通常采用总应力强度指标, 并且不考虑孔隙水压力, 假设滑动为圆弧滑动, 土条之间只有法向力而无切向力, 满足整体力矩平衡, 但是不满足各个土条的力矩平衡条件, 简化后的毕肖普计算公式为:

式中, c为土体粘聚力;为土体内摩擦角;为第i个土条重量;为第i土条宽度;为第i土条底面滑弧与圆心的连线的倾角。

由图2安全系数、剪切应变增量云图及速度矢量图可知, 颜色较深的部位为潜在的滑动面, 这个地方产生了贯通的塑性区和较大的位移。说明了这个区域附近将发生较大的滑动破坏, 即滑坡。数值模拟计算安全系数为1.49;采用简化毕肖普迭代法, 计算所得安全系数为1.55。两者安全系数比较吻合, 说明FLAC3D可用于模拟边坡的模拟分析以及安全系数的计算。

3 结论

(1) 对于复杂的边坡, FLAC3D的强度折减法可以有效的进行计算, 方便快捷;

(2) 进行数值模拟计算边坡系数的时候, 不用假设土条或者土体之间的相互作用影响, 对于处理破面集合条件复杂, 边界条件特殊等有很好的作用;

(3) 通过数值模拟后, 也以直接得到安全系数以及潜在的滑动面, 操作简单快捷, 有广泛的。

摘要：本文结合鹤大高速公路某段路堑边坡, 利用FLAC3D软件模拟模拟岩土边坡, 求解该边坡的安全系数, 并将分析结果与简化毕肖普条分法分析结果进行比较验证, 结果发现利用数值模拟分析可以有效的解决工程复杂等因素的影响, 具有很好的适用性。

关键词：强度折减法,边坡安全系数,FLAC3D

参考文献

[1]陈育民, 徐鼎平FLACFLAC3D基础与工程实例 (第二版) [M].中国水利水电出版社, 2009.

[2]刘春明, 基于FLAC数值模拟分析某公路边坡稳定性[J].低温建筑技术, 2013, (04) .

[3]马苹林, 朱明, 王建华.有限差分法FLAC在边坡稳定性分析中的应用[J].国矿山工程, 2008 (05) .

篇6：软土地基上边坡稳定数值模拟分析

1 工程概况

本工程选择江苏省连云港某沿海高速公路作为研究对象, 该高速公路位于江苏连云港市板桥镇, 烧香河北岸, 西距G25长深高速公路2.5 km, 北离G30连霍高速公路1.6 km, 河对面是S242云港线, 交通十分便利。

2 数学模型建立

综合考虑到模型适用性、模型计算精度等问题, 本文通过Plaxis计算软件的动力模块来建立研究对象的三维模型。

2.1 计算原理

(1) 土体单元连续方程

根据有限元理论, 可将该工程边坡土体单元连续方程描述为:

(2) x方向动量方程

(3) y方向动量方程

(4) 初始条件

对于给定的研究域, 在时间t=0时有

式中:h0、r0、s0分别为初始时刻的地面高程、轴向应力和切向应力。

2.2 网格划分[6,7,8]

材料参数赋予相应类组后, 在生成模型网格之前应设置标准固定边界来模拟实际情况下对边界土体的限制作用, 靠近打桩侧边界还应设置标准吸收边界以避免振动波反射的影响, 桩体和土体之间还应设置模拟相互作用的界面单元。工程边坡网格划分情况见图1。

3 数值模拟结果分析[9,10,11,12,13]

模拟项目工程在施工中堆载、边坡开挖过程, 这两个工序工程中边坡断面水平位移分布状况, 以及整个过程中边坡断面水平位移分布状况如图2~图4所示。

对比图3、图4可知, 在堆载过程中, 边坡体水平位移已经达到了120 mm, 在边坡开挖破坏了土体结构后, 变形就明显倾向于迎水面侧发展, 并连锁导致边坡与桩基的变形甚至移位, 降低了边坡的稳定性。分析图5可知, 在整个施工期内, 研究工程边坡受对岸陆域大堆积荷载的作用, 最大累计水平位移有240 mm, 产生水平位移最大的区域主要分布在码头岸坡地基中的淤泥层, 并随着深度增加、土质变好、土质理化性能增强而逐渐减小。

施工过程中, 工程边坡断面3 m深与10 m深的土体侧向位移如图5、图6所示。

结合研究工程实际土质情况以及边坡断面不同深度土体位移情况, 可得到以下结论:

(1) 边坡土体侧向位移主要发生在0~-7 m的软土层区域, 而-12 m以下的粉土层和粉砂层的力学性能较好, 基本没有侧向位移。同时, 土体深度越大, 受施工影响产生的土体侧向位移就越小。

(2) 分析对比图5与图6, 可见断面上各不同深度的土体单元在施工后的任一时间, 其侧向位移的方向都是朝向海侧, 即迎水面方向移动的, 这主要是因为迎水面这一侧土体含水量大, 土体力学性能较差, 结构较不稳定, 因此这侧的土体容易滑动侧移, 导致整个边坡结构土体朝迎水面移动。

4 结论

本文结合Plaxis计算软件的动力模块, 对江苏省连云港某沿海高速公路的边坡稳定情况作了系统的研究, 得出以下结论:

(1) 边坡开挖以及堆载过程都会导致边坡孔隙水压力产生重大变化, 从而导致工程边坡产生较大的水平位移, 影响边坡稳定以及高速公路的稳定运行。