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FLAC3D在路基边坡稳定性分析中的应用【摘要】Flac3D是岩土工程中广泛应用的软件,本文介绍了其基本原理和特点,如有限差分网格和有限差分方程的建立等,并应用Mohr-Coulomb本构模型对路基边坡进行了数值稳定性分析。
依据边坡位移变形和塑性区域的贯通情况对边坡稳定性进行了分析。
【关键词】Flac3D;边坡;稳定性分析;数值模拟1 FLAC3D的基本原理1.1拉格朗日法FLAC软件是美国Itasca咨询集团公司开发的专业岩土工程分析软件,其基本原理即是拉格朗日差分法。
利用节点位移连续的条件,对连续介质进行非线性大变形分析,可以模拟地应力场生成,边坡或地下工程的开挖、锚杆(锚索)设置、地下渗流等。
拉格朗日法源于流体力学,研究流体质点在任一时段内的运动轨迹、速度、压力等特征。
将其移植到固体力学中,把所研究的区域划分成网格,其结点相当于流体质点,然后按时步用拉格朗日法来研究网格结点的运动。
FLAC3D与有限元法相比,具有以下优点:(l)采用显式解析法不需要建立刚性矩阵,节省内存,提高了运算速度。
(2)采用离散法,正确地模拟了塑性破坏及塑性流动。
(3)能跟踪模型中任一点的历史,方便看出该点的应力、位移历程曲线。
1.2使用步骤(1)建立模型,产生网格,确定材料性质和边界条件。
(2)运行程序,建立原始平衡。
(3)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的变形与破坏。
2 工程概况某一级公路路基设计宽度为30.0m,边坡设计坡度为1:1,路基土体分两层,基层为中硬粘土,层厚为30m;填筑中细砂土,并经压实,层厚25m,路基底部宽90m,模型见图l。
经室内土工试验测定,各土层的物理力学性质见表1。
其中体积模量K 和剪切模量G分别按式(1)、(2)计算:3 数值计算模型3.1数值建模根据实际工程情况和地层分布,数值分析模型在FLAC3D环境下完成。
为减少计算时间,取路基宽度的1/2进行建模。
基于FLAC3D的边坡稳定分析研究及治理措施作者：李金来源：《中国科技博览》2014年第31期[摘要]边坡的稳定性对于露天矿的生产有着至关重要的作用，是保证露天矿安全生产的先决条件，如果边坡失稳，发生滑坡或崩塌现象，将造成重大经济损失，不仅对职工生命存在威胁，同时也威胁现场作业设备、设施的安全。
本文根据水泉矿地质条件特征，采用FLAC3D 软件，分析南帮边坡稳定性，为该矿安全生产提供指导意见。
[关键词]FLAC3D；边坡稳定；数值模拟；治理措施中图分类号：TD 804 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）31-0239-03一、引言随着我国经济的不断发展，采矿技术的不断提高，越来越多的煤矿采用露天开采，为经济发展和整体安全提供了一定的保障，同时也带来了相关问题，尤其是边坡的稳定性，如果不重视，很容易造成各种灾难。
露天矿开采过程中，形成各种工作帮与非工作帮，剥离物剥出后，由剥离区域运至规划的排土场区域，形成排土场边坡，为了节省生产成本，降低消耗，排土场规划大多与工作面距离较近，如果发生滑坡，很可能埋压正在现场作业的设备与人员，导致事故的发生。
因此，越来越多的学者研究边坡稳定的问题，提出了很多实用的方法，目前对边坡进行监测分析普遍采用FLAC3D软件。
FLAC3D能够进行土质、岩石和其它材料的三维结构受力特性模拟和塑性流动分析，采用显式拉格朗日算法和混合-离散分区技术，能够非常准确地模拟材料的塑性破坏和流动，是解决工程问题最有效的软件之一。
二、地质、水文及岩性特征（一）地形、地貌本区位于阴山山脉之大青山西段，受造山运动的影响，呈中高山区地貌。
最高点为露天区外南部天林背，海拔2331m，最低点为露天区外北部大东沟、大西沟一带，海拔为1500m左右，相对高差831m。
露天区外南为古老地层，山势峻峭；北部为石炭系、二叠系、三叠系地层，受风化侵蚀，属中低山区。
露天区内总的地貌为南高北低，最高点位于勘探区东南部边界，标高为1912m，最低点位于后黑土坝村北部沟中北边界线，标高为1520m，高差392m。
科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFO RM TI ON 2008NO .15SC I EN CE &TECH NO LOG Y I N FOR M A TI O N 信息技术1FL A C 3D 程序[1]FL A C(Fas t L a gr angi a n A nal ys i s ofC ont i nua),即连续介质快速拉格朗日分析。
它是基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序。
是由美国I t a s ca Cons ul t i ngG r oup I nc.开发的商业软件。
FLAC 3D 比其他有限元法有以下优点：一是采用显式解析法,不需要建立刚度矩阵,节省内存,提高了运算速度；二是采用混合离散法,正确地模拟了塑性破坏及塑性流动；三是采用动态方程求解,克服了系统模型内的不安定因素。
FLAC 3D 可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。
FL AC 3D 内部含有多个力学模型：一个“空”模型(用于几模拟开挖等)、二个弹性模型(各向同性、横观各向同性、各向异性弹性材料)、六个塑性模型(按不同的破坏准则模拟弹塑性材料。
强度折减法由Dunca n 提出的[2],认为边坡的稳定安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时,对土的剪切强度进行折减的程度,即定义稳定安全系数为土的实际抗剪强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值。
强度折减法的要点是利用公式和调整土体的强度指标,其中为折减系数,然后对土坡进行数值分析,通过不断地增加折减系数式,反复分析土坡,直至其达到临界破坏,此时得到的折减系数即为稳定安全系数。
强度折减法的优点是安全系数直接求出,不需要事先假设滑裂面的形式和位置,另外可以考虑土坡渐进破坏过程和变形对稳定的影响。
2工程概况某金矿采用露天方式开采,矿区采场坑口地势较为平坦,标高为＋3m ,上口尺寸为1100m ×390m ,分东西两个东部采场的最终坑底标高东坑为-170m ,最终边坡的最大高度为173m ,总体边坡角47°,基岩边坡的总体边坡角为50°。
FLAC 3D 在边坡稳定性分析中的应用魏继红 吴继敏 孙少锐(河海大学土木工程学院 南京市 210098)提要 采用FLAC 3D 研究某边坡的大变形破坏,模拟了边坡天然情况下的应力状态,分析了边坡分步开挖对边坡稳定性的影响,然后根据计算的结果对边坡采取了一定的加固措施,对加固后的边坡应力、应变状态进行分析,得出边坡基本处于稳定状态,分析表明,FLAC 3D 在解决边坡的大变形模拟方面的优势是有限元无法比拟的。
关键词 大变形分析 边坡 有限元 稳定性Application of FLAC 3D in Stability Analysis of SlopeWei Jihong Wu Jimin Sun Shaorui (College of Civil Engineering ,Hohai University )A bstract Some slope is studied by use of the program FLAC 3D .The stress state for the initial slope is simu -lated .The effect of step excavation to the slope is analyzed .Acc ording to the result ,some measures are taken toimprove the stability of slope .After that ,the stress and the strain of reinforced slope is analyzed .The result shows the slope is stability .By contrast to the finite element method ,it is good to solve the lar ge scale deforma -tion of the slope for the program FLAC 3D .Keywords large scale defor mation analysis ;slope ;finite element method ;stability作者简介:魏继红,女,1976年生,博士研究生,主要从事岩质边坡及地下洞室稳定性方面的研究。
浅析FLAC3D软件在边坡稳定性分析中的应用浅析FLAC3D软件在边坡稳定性分析中的应用摘要：随着科技的进步以及岩土工程的高速发展,分析边坡稳定性的软件或工具也在日益完善,尤其是FLAC3D软件。
本文主要介绍了FLAC3D软件的基本原理、使用步骤等,并举例进一步分析了该软件在实际运用中的方法,从而得知FLAC3D软件在分析边坡的稳定性模拟方面具有很大的优势。
关键词：FLAC3D软件边坡有限元稳定性1、基本概述这些年来由于边坡的稳定性问题而引发的地质灾害,给人类社会带来了极大的痛苦,为避免地质灾害的再次发生,边坡的稳定性研究已经成为地质单位共同关注的对象。
边坡的稳定性受诸多参数的影响,主要有路基中的结构面、夹层、夹层中填充物料等。
目前来看,边坡的稳定性分析方法有很多种,较为方便快捷的是极限平衡分析方法及有限元分析方法,前者方便快捷,后者在解决小变形这一块有较大的优越性,但是这两种分析方法均存在一定的局限性,并不能解决某些大变形方面,而采用FLAC3D软件分析边坡的稳定性可以很好的完成其它方法不能解决的问题。
2、FLAC3D软件2.1 基本原理FLAC3D是Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions的缩写,该软件是由美国Itasca Consulting Group Inc.与明尼苏达大学联合创发的,该软件的基本原理即为拉格朗日有限差分法。
拉格朗日有限差分法结合了力学—数学的具体模型,经过实际考察与分析,便得到边坡稳定性变化的规律。
FLAC3D软件在模拟施工过程以及分析材料的弹塑性、大变形等领域占有很大的优势。
它能够很好的模拟六种不同本构关系的材料的三维力学现象,能够准确的模拟地应力场的变化、边坡或地下工程的施工、混凝土铺设、锚杆定位等。
2.2 与其它有限元法相比FLAC3D软件具有的优势FLAC3D软件与其它有限元相比最大的优势主要在于它能够更方便、准确的解决大变形的问题,以前在遇到大变形问题时通常会用有限元来解决,但这种解决方法相对来说较为繁杂。
第37卷第4期 中国矿业大学学报 Vol.37No.42008年7月 Journal of China University of Mining &Technology J ul.2008收稿日期:2007211228基金项目:科研院所社会公益研究专项项目(2004DIB3J 088)作者简介:蓝 航(19782),男,湖北省利川市人,工学博士,从事开采沉陷、岩石力学和计算机在矿业中的应用方面的研究.E 2m ail :hlan527@ T el :010*********基于FL AC 3D的边坡单元安全度分析及应用蓝 航(煤炭科学研究总院开采研究分院,北京 100013)摘要:为改进传统边坡稳定分析中安全系数的定义不适合于具有多个坡面的复杂边坡的缺陷,引入静载强度分析中对点安全系数的定义,结合FL AC 3D 数值模型,提出了边坡单元安全度的概念.采用FLAC 3D 内嵌编程语言FISH 编写了单元安全度的计算模块,得到了边坡各单元安全度的分布.采用这种方法对平朔安家岭露天煤矿边坡下的井工开采进行了数值模拟.结果表明:在井工开采影响下,露天煤矿边坡可能会出现“圆弧2顺层”的滑坡模式;在开切眼附近坡体地表形成大范围的拉破坏区,单元安全度小于1的地方均位于坡体台阶受拉处,最小单元安全度为0.88,出现在南端帮边坡;井工开切眼位置应远离边坡体.关键词:边坡稳定;FL AC 3D ;单元安全度;露井联采中图分类号:TD 824.7文献标识码:A 文章编号:100021964(2008)0420570205Analysis of Zone Safety Degree of Slopes and It sApplication Based on FL AC 3DL AN Hang(Mining Research Branch ,China Coal Research Instit ute ,Beijing 100013,China )Abstract :The concept of zone safety degree was described based on a FLAC 3D numerical model and t he definition of point safety factor in static load strengt h analysis.A calculation module for t he zone safety degree of t he slope was p rogrammed using t he p rogramming language "FISH"available wit h FL AC 3D .The dist ribution of zones safety degree was obtained.Numeri 2cal simulation was carried out for underground mining under t he slopes of t he Anjialing Open Colliery in Pingshuo.The result s show t hat an “arc 2bedding ”slide mode of t he slope ,influ 2enced by underground mining ,may occur.A large range in surface tension forms nearby an un 2dergro und open off cut.The minimum zone safety degree is 0.88at t he sout h slope.The open off cut should be far away f rom t he slope horizontally for slope stabilization.K ey w ords :slope stability ;FL AC 3D ;zone safety degree ;open 2underground combined mining对于边坡稳定性评价,目前大都是通过计算给出一个安全系数来表征边坡的稳定程度.常用的计算方法有刚体极限平衡法[1]、塑性极限分析[223]和强度折减弹塑性有限元法[425]等.刚体极限平衡法把边坡上的滑体视为刚体,只发生位移和转动而不发生变形,根据滑体的静力平衡原理分析边坡各种破坏模式下的受力状态,并定义边坡滑体上的抗滑力和下滑力之间的比值为安全系数.塑性极限分析假定滑坡体在外载荷作用下发生破坏,在该区域内各点均达到了极限平衡,处于塑性流动状态.塑性极限分析考虑了岩土体本构关系,其安全系数的定义仍然为抗滑力和下滑力之比.强度折减弹塑性有限元分析方法则将强度折减技术与弹塑性有限元方法结合,通过在某一强度(黏聚力、摩擦角)折减系数下进行边坡的弹塑性有限元分析,得到边坡内的应力场、应变场和位移场,然后再根据描述变形第4期 蓝航:基于FL AC3D的边坡单元安全度分析及应用程度的某种物理量作为评判指标,并基于一定的经验评判准则,确定边坡的极限平衡状态,将由此所确定的相应强度折减系数作为边坡的安全系数.以上这些方法均局限于二维的某个坡体剖面,最终只得到一个安全系数.在露井联采工程中,露天煤矿排土场是一种具有多个坡面的复杂台阶状边坡,在其下方进行井工开采时,可能会有多个坡面受到开采扰动影响而导致坡体失稳.安家岭井工矿1号井4煤和9煤位于南端帮边坡和西排土场边坡下,4煤和9煤的开采将动态地影响其上的南端帮边坡和西排土场边坡的稳定.显然,单一的安全系数并不能概括这种条件下各个坡面的安全程度.文献[6]应用数值模拟通过后处理得到坡体地表变形值,从坡体表面变形值和坡体剪应变增量综合考虑研究了坡体稳定状况.这种方法虽然抛弃了单一的安全系数,但对于坡体失稳还缺少定量判断依据.本文引入静载强度分析中对点安全度的定义,结合FL AC3D数值模型,提出基于FL AC3D的单元安全度的概念,用以定量研究复杂坡体各区域的稳定状况.1边坡单元安全度111点安全系数Hoek和Bray在《Rock Slope Engineering》一书中率先把点安全系数的概念引入到边坡稳定分析中[7],点安全系数定义为所考察的潜在滑移面上的一点所能调动的最大剪切强度与该点可能出现的有效剪应力之比.在有限元方法出现以后,可以通过点抗剪安全系数把应力、变形和稳定统一起来.日本学者奈川运用平面有限元法导出了平面点抗剪最小安全系数公式[8].沈可推导了空间点抗剪最小安全系数公式[9].以上方法根据莫尔2库仑压剪破坏理论,只考虑了单元的剪切破坏,未考虑单元为拉伸破坏时的情况.对于多裂隙节理岩体,尤其是井工开采形成的坡体地表有很大部分都属于拉伸破坏区.因此,还需要在点安全系数定义中引入拉伸破坏的情况. 112单元安全度根据静载强度分析中的修正莫尔破坏理论对点安全系数的定义[10211],将其引入到FL AC3D中,以FL AC3D中的单元代替点,采用文献[12]中编写的节理岩体弹塑性损伤本构模型,并在主有效应力 σ1和 σ3确定的平面中描述(图1).这样定义的单元安全度的实质是表征该单元与屈服面偏离的程度,也即该单元材料抵抗其进入塑性状态的能力.图1 修正莫尔破坏理论Fig.1Modified Mohr failure theory如图1,在 σ1≥ σ3区域,如果单元沿路径OA 或OB加载,则单元安全度为 f=σtσ1,σ1≥ σ3≥0 或 σ1≥0≥ σ3, σ3 σ1≤1, (1)式中 σt为抗拉强度.如果单元沿路径OC加载,则f=σtσcσc σ1-σt( σ1+ σ3),σ1≥0≥ σ3, σ3 σ1>1,(2)式中 σc为单轴抗压强度,可由下式求得σc=2c1+sinφ1-sinφ(3)式中 c,φ分别为材料的黏聚力和内摩擦角.如果单元沿路径OD加载f=-σcσ3, σ3≤ σ1≤0.(4) 以上各式均满足f>0,且当f≤1时,单元发生破坏失稳.各计算公式在FL AC3D内嵌编程语言FISH中编程实现3.2数值模型建立平朔安家岭实行露井联采,井工矿1号井开采4煤和9煤的厚度分别为11和13m.本文模拟开采4煤,在FLAC3D中建立数值模型如图2.模型尺寸为1800m(x)×1800m(y)×435m(z).模型共有55260个单元和64470个节点.4煤首采工作面布置如图3所示,图3中曲线为排土场高程等值线,矩形框为开采范围.3FISH IN FL AC3D.Itasca Consulting Group,Inc.,2004.175 中国矿业大学学报 第37卷图2 数值计算模型Fig.2Numericalmodel图34煤首采工作面布置Fig.31st mining face layout in 4th coal seam以平朔矿区边坡工程地质勘探与岩石物理力学性质试验而得的成果为主要依据,选取的数值计算指标如表1.其中,黄土层主要为黏土和亚黏土互层,此层是遇水极易产生变形和强度降低的软弱层,黏土弱层的存在对边坡稳定构成潜在威胁.表1 岩土体物理力学参数取值T able 1Physical and mechanical parametersof rock and soil岩性容重/(kg ・m -3)体积模量/GPa 剪切模量/GPa 抗拉强度/kPa黏接力/MPa 内摩擦角/(°)排土场187001170105510101924黄土196001310105310105020砂岩248041201150016011200354#煤14401140013601000150026砂岩248031101120015011200369#煤13301140014401000160027砂岩238051202170030011500383数值计算结果分析311边坡滑动模式首先考察在4煤首采工作面开采影响下坡体地表的位移情况,在南端帮边坡和西排土场边坡上的A A ′剖面上布置侧线如图4,分步开挖后,得到侧线上各测点y 方向上位移变化如图5.图4 地表位移测点布置Fig.4Displacementmonitoring of surface图5 不同开挖阶段的地表y 方向位移Fig.5Surface displacement duringdifferent mining phrases由图5知,未开采4煤首采面时边坡地表各测点的位移都非常小,即边坡的自身位移很小.开采后,测点6左边(开切眼外侧)的各测点不论在开采的哪个阶段,其边坡地表的位移改变非常小,这些点的y 方向位移始终为正值,即朝向边坡临空面,这说明井工开采对其边界上方外侧地表造成了永久影响.模拟计算得到4煤首采工作面开采后形成的岩体塑性区分布如图6.图6 4煤首采面开采后的塑性区分布Fig.6Plastic zones distribution after mining1st face in 4th coal seam图6中浅色单元代表该单元处于拉破坏状态,由图6知,采空区上覆岩层以拉破坏区为主,在地表的采空区四周出现明显的拉破坏区.值得注意的是,安家岭露天矿南端帮边坡正好处于开采边界(开切眼)附近,开切眼附近坡体地表出现了明显的拉破坏区,结合图5的测点位移分析,该处地表岩275第4期 蓝航:基于FL AC 3D 的边坡单元安全度分析及应用体位移方向朝向边坡的临空面.因此,边坡的潜在破坏模式为:开采沉陷在地表形成的拉伸裂缝为潜在滑坡后缘,在边坡岩体受到井工开采影响,有向边坡临空面滑动的趋势下,一旦和基岩面之上的黏土弱层连通,将形成“圆弧2顺层”滑坡.312边坡单元安全度分析根据边坡单元安全度算法计算得到4煤首采面开采后坡体地表的单元安全度分布如图7所示.图7 4煤首采面开采后地表单元安全度等值线Fig.7Surface zone safety degree distributionafter mining 1st face in 4th coal seam图7说明,4煤首采工作面开采后,在局部地区出现安全度小于1的情况,这些地区包括:开切眼附近坡体地表、采空区上方坡体地表和工作面边界附近地表.图7中地表出现最小安全度的地点在南端帮边坡x =915m ,y =1305m 处,地表最小安全度为0188.由图7知,这里正是坡体台阶受拉处.现场观测发现在这里出现了大范围的拉裂缝(图8).图8地表拉裂缝照片Fig.8Photo of surface cracks综合单元安全度的大小和塑性区的分布可对边坡的总体稳定性进行判断:考察边坡单元安全度小于1的区域的塑性区分布,如果该区域的塑性区已经跟软弱岩层沟通,则边坡极易发生失稳.尽管4煤首采面的开采使得坡体表面出现了一些单元安全度小于1的区域,但这些地方的塑性区还没与黏土弱层完全沟通,因此边坡仍然处于稳定状态.313开采建议为更好地保证坡体安全,从工作面开切眼距离边坡的位置考察井工开采对坡体稳定性的影响,通过切眼不断南移(向y 负方向)加大开切眼与南端帮边坡的水平距离,图9为切眼南移120m 后的岩体塑性区分布,其中浅色代表该单元处于拉破坏状态.图9 开切眼南移120m 后的塑性区分布Fig.9Plastic zones distribution after 1st face moving 120m southward由图9并比较图6,切眼南移120m 后,南端帮边坡塑性区完全转移到岩体内部.此时地表的单元安全度等值线分布如图10,比较图7,最小单元安全度由0188上升为0197,出现最小单元安全度的位置也从南端帮边坡转移到了坡顶1435平台上(x =975m ,y =285m ).因此,从边坡稳定的角度考虑,开切眼的位置在水平方向上离边坡体越远也即采空区的边界离边坡体越远,地表拉裂缝就离坡体越远,越利于边坡稳定.图10 开切眼南移120m 后地表单元安全度等值线Fig.10Surface zone safety degree isolines after1st face moving 120m southward4结论1)根据静载强度理论中的点安全系数的定义,结合FL AC 3D 数值模型,提出了边坡稳定单元安全度的概念,并在FISH 中编写了计算模块;375 中国矿业大学学报 第37卷2)建立了安家岭井工矿1号井4煤首采工作面开采的数值模型,根据模拟结果分析了在4煤首采面开采影响下的南端帮边坡滑坡模式为“圆弧-顺层”滑坡模式;3)得到了安家岭井工矿1号井4煤首采工作面开采后边坡地表的单元安全度分布,单元安全度小于1的地方均位于坡体台阶受拉处,最小单元安全度为0188,出现在南端帮边坡处;4)对于露井联采工程,从边坡稳定的角度提出了一个开采设计建议,即:井工开切眼的位置在水平方向上离坡体越远,地表拉裂缝离坡体就越远,越利于边坡稳定.参考文献:[1]蔡美峰,何满潮,刘东燕.岩石力学与工程[M].北京:科学出版社,2002:3792392.[2]陈祖煜,汪小刚,杨 健,等.岩质边坡稳定分析:原理、方法、程序[M].北京:中国水利水电出版社,2005:3732399.[3]陈祖煜.土力学经典问题的极限分析上、下限解[J].岩土工程学报,2002,24(1):1211.CH EN Zu2yu.Limit analysis for the classic problemsof soil mechanics[J].Chinese Journal of 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