基于FLAC3D的边坡稳定性分析与数值模拟

科学技术创新2020.35利用Flac3D 进行库区消落带边坡稳定性研究李望成冉益铭(重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331)三峡库区建成以来，每年冬天蓄水发电期和夏季防洪期的水位分别为175米和145米，30米的水位差形成了消落带，消落带边坡每年都会经历一次干湿循环，长期发展下去，会对消落带边坡稳定性造成一定的影响，消落带边坡岩质多为砂岩，砂岩在经过一定次数的干湿循环后，对其基本物理力学性质造成一定的影响，抗劈裂强度、内摩擦角和粘聚力等影响边坡稳定性的参数会随着干湿循环次数的增加而降低[1]，从而影响到边坡安全系数，造成边坡失稳的情况发生。

长江三峡大坝建成后，水库蓄水及库岸的二次改造会对长江沿岸岸坡造成深刻的影响，包括崩塌和坍塌、滑动和滑移、蠕移、沉降或沉陷、碎石流与泥石流及洪冲垮塌等[2];随着库区水位升降变化，滑坡体安全系数随着岩体干湿循环的次数呈指数降低，最终造成边坡失稳[3]；前4次干湿循环作用将造成抗剪强度参数劣化幅度占总劣化度的75%左右，在4次之后劣化幅度将趋于平缓；[4]；随着干湿循环次数增加，坡体下滑力与抗滑力的平衡被打破而造成坡体失稳，而后又恢复平衡状态，坡体间的平衡状态会随着干湿作用的次数增加而更加容易被打破，造成边坡稳定性安全系数降低[5]。

1Flac3D 的原理与步骤Flac3D 是美国ITASCA 公司开发的仿真模拟软件，利用源于流体力学的拉格朗日差分法，研究在规定时间内的位移与应力的变化[6]，Flac3D 把模型划分为由多个六面体网格组成，网格数量根据需求来设置，更多的网格会造成更久的计算时间，但可以更精确的得到计算结果；Flac3D 动力学分析基于显式有限差分方案，使用从周围区域的实际密度（而不是用于静态解决方案的虚拟质量）导出集总网格点来求解完整的运动方程。

FLAC3D 采用完全非线性分析方法，加入了“滞后阻尼”的因子对动荷载产生的非线性材料累积变形具有很好的还原能力，动荷载分为Fish 函数和Table 数表两种类型，前者是在面施加荷载，后者是在点上施加荷载。

Value Engineering0引言滑坡作为一种常见的地质灾害在我国频繁发生并且分布广泛，不仅破坏基础设施，影响各工程的施工与建设，还阻碍国家的经济建设与发展进程，并对人民群众的生命财产安全造成严重的影响。

滑坡地质灾害如果处理不及时，将会造成一定的设施破坏、财产损失甚至是人员的伤亡[1-3]。

因此，研究分析滑坡地质灾害的成因和机理及滑坡的防治措施等一直是工程地质领域的热点问题。

瞬时暴雨或长期降雨等条件下诱发滑坡是土质边坡中最容易发生的类型[4]。

针对降雨条件下的边坡稳定性，众多学者主要从多个方面进行了相关的研究。

目前边坡稳定性分析评价的主要方法是极限平衡法和数值模拟法。

数值模拟分析方法包括有限单元法、有限差分法、离散单元法等。

李安润等[5]通过极限平衡法和有限元数值分析方法，对降雨条件下某堆积体边坡进行了稳定性分析，并提出了合理的防治措施。

Chang等[6]采用PFC数值模拟软件分析研究了某黄土滑坡在地表水入渗条件下边坡的失稳破坏过程。

回恒酉等[7]采用传统极限平衡理论的条分法和数值模拟的Flac3D方法进行对比分析，得出Flac3D 法分析条件更加完善，在理论上更加可靠，而条分法计算理论理想化，计算结果偏保守的结论。

李振江等[8]通过GeoStudio软件对暴雨工况下的南京某下蜀土滑坡进行了模拟分析，研究了暴雨条件下边坡的孔隙水压力和位移变化，并对应急治理措施进行了检验分析。

张树轩等[9]利用Flac3D模拟分析了甘肃天水红旗山黄土滑坡的稳定性，为潜在强震区地震滑坡的变形机理及防震减灾研究提供了可靠依据。

Flac3D数值模拟法是近年来比较流行的边坡稳定性计算分析方法，主要应用于土质滑坡，在岩质滑坡方面，相对应用较少。

本文以江苏西南部一土质边坡为研究对象，结合现场监测数据，采用Flac3D软件对边坡进行稳定性评价及变形破坏机理分析，为滑坡防治提供参考。

1工程概况1.1边坡基本特征江苏省西南部某一典型土质边坡现状如图1所示。

利用FLAC3D分析某边坡地震稳定性一、本文概述随着全球气候变化和人为活动的加剧，地震等自然灾害对人类社会和自然环境的影响日益显著。

边坡作为地壳表面的一种常见地貌形态，其稳定性对于防止地质灾害、保护人民生命财产安全具有重要意义。

FLAC3D作为一款广泛应用于岩土工程领域的数值模拟软件，其强大的三维有限差分计算能力使得它成为分析边坡地震稳定性的重要工具。

本文旨在利用FLAC3D软件，针对某一具体边坡进行地震稳定性分析，探讨其在不同地震动作用下的响应特征，以期为边坡工程的设计、施工和维护提供理论支持和决策依据。

本文首先将对FLAC3D软件的基本原理和计算方法进行简要介绍，阐述其在边坡稳定性分析中的适用性。

接着，结合某一具体边坡的实际情况，建立相应的数值模型，并设定不同等级的地震动作为输入条件。

通过数值模拟，分析边坡在地震作用下的变形、应力分布以及破坏模式，探究边坡的稳定性变化规律。

本文还将讨论不同影响因素，如边坡几何形态、材料性质、地震动强度等对边坡稳定性的影响，以期全面评估边坡的地震稳定性。

通过本文的研究，旨在深入了解FLAC3D在边坡地震稳定性分析中的应用，为边坡工程的安全设计和有效管理提供科学依据。

也为类似工程问题的研究提供参考和借鉴。

二、FLAC3D软件介绍FLAC3D（Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions）是一款由Itasca公司开发的专门用于模拟岩土工程问题的三维显式有限差分程序。

该程序基于拉格朗日描述，能够模拟岩土体在复杂应力路径下的变形和流动行为。

由于其强大的计算能力和灵活的建模方式，FLAC3D在岩土工程领域得到了广泛的应用。

FLAC3D的核心优势在于其能够模拟岩土体的弹塑性行为、大变形、流动和破坏过程。

程序内置了多种本构模型，如Mohr-Coulomb 模型、Drucker-Prager模型等，这些模型能够准确描述岩土体的应力-应变关系。

基于 ANSYS平台的 FLAC3D顺层岩质高边坡开挖稳定性分析摘要：文章运用FLAC3D有限差分软件中Mohr-Coulomb 本构模型对某场地顺层岩质高边坡分步开挖进行模拟，揭示坡体的整体变形和应力应变特征发展过程，对边坡开挖稳定性做出评价。

结果表明坡脚和开挖临空面应力相对集中，自上而下开挖至第七级台阶处位移突增，边坡处于不稳定状态。

关键词：顺层岩质高边坡；ANSYS；FLAC3D；稳定性分析1引言顺层岩质高边坡作为边坡的一种特殊形式，是很容易发生变形破坏的一种边坡类型，使得顺层岩质高边坡的失稳问题成为工程地质学和岩石力学领域内亟待解决的问题之一［1】。

FLAC3D数值模拟方法全面满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间的本构关系。

同时，采用数值分析方法可以不受边坡不规则的几何形状和材料的不均匀性的限制，这是比较理想的分析边坡应力变形和稳定性的手段。

在运用FLAC3D对边坡进行稳定性数值模拟分析时，通常要对实体对象经过适当简化建立相应的三维计算模型。

然而FLAC3D在前期处理建模以及网格划分方面却一直很不方便,特别是遇到地层比较复杂和边界不规则时，在创建模型时就十分困难，不易控制网格点数据，不能完全创建真实的地质模型［2】。

ANSYS可以自上而下直接建立实体模型，还可以通过自下而上依次生成点、线、面和体，从而创建真实的实体模型［4】。

对于创建好的实体模型的网格划分，ANSYS提供了功能强大的控制工具，比如单元大小和形状的控制、网格的划分类型以及网格的清除和细化［5］。

因此，在需要建立比较复杂的地质模型时，可以采用建模与网格划分功能强大的ANSYS软件建立相应的数值模型，再导入FLAC3D中进行分析，这样就可以明显降低了前期建模的难度［6］。

2工程地质概况场地整体地形情况为西高东低，四周高中间低，场平过后场地将形成约10个高边坡，最大边坡高度超过90m。

特别是南侧高边坡，为顺向边坡，边坡软弱结构面较多，层面存在泥化现象,岩体较破碎，边坡开挖后容易引起岩体滑动,造成边坡失稳。

基于FLAC3D对某边坡天然及地震工况下稳定性分析◎ 彭志盛 中交四航局第二工程有限公司摘 要：本文以海外某工程开挖边坡为实例，结合室内试验参数，基于RMR分类法并参考经验公式进行岩土体参数估算，进一步评估4m或6m锚杆支护的边坡在天然工况下的稳定性并在地震工况下的运用拟静力法分析其稳定性。

结果表明：采用RMR法并结合边坡实际工程地质条件，参考已有经验公式对边坡岩土体参数进行估算在实际工程中是可行的，计算结果相对保守；天然工况或地震工况条件下，采用4m或6m锚杆进行支护时，稳定性系数均满足规范中对安全系数的要求，边坡处于基本稳定状态；但安全起见，建议对该边坡采用6m锚杆进行支护。

关键词：：FLAC3D；强度折减法；拟静力法；稳定性分析1.前言当前稳定性分析有定性和定量分析两类方法。

极限平衡法，极限分析法等是定量分析方法中比较常见的[1]。

无论极限平衡法或是极限分析法具因其模型简单、计算方便，在工程实践中作为首选方法进行广泛应用，但分析边坡破坏发生和发展过程方面却力有不逮[2]；针对此问题，基于强度折减法理论的数值模拟软件FL AC3D通过搜索潜在滑动面及其位置可以有效解决极限平衡法的不足，计算呈现结果更加直观。

进行数值模拟计算时，参数的选取至关重要，参数选取准确与否对计算结果影响重大，而当前岩土体，尤其是岩质材料的参数取值时往往进行以下简化：以岩石（岩块）室内试验所得性质代替真实岩体。

工程实践中极少遇到未风化岩体，天然环境中的岩体受风化作用产生广泛分布的节理裂隙，影响岩体完整性，并使得真实岩体在物理力学性质上与岩块存在较大差异。

本文以某工程挖方边坡为例，对岩体材料基于更科学的方法进行取值，采用强度折减法进行天然工况及地震工况下分析边坡稳定性。

2.强度折减法强度折减法中稳定性系数即边坡达到临界状态与初始状态对应的抗剪强度之比。

岩体抗剪强度应用过程如下式所示。

式中：C d——折减后的粘聚力；φd——折减后的内摩擦角；C——折减前的粘聚力；φ——折减前的内摩擦角；F d——折减系数。

1・FLAC 数值模拟上机题计算模型分别如图1、2、3所示，边坡倾角分别为30。

、45 °、60。

，岩土体参数为：密度p 二2500 kg/n?,弹性模量E = 1 x 108 Pa,泊松比卩二0.3,抗拉强度ct 二0.8 x 106 Pa,内聚力C 二4.2x 104 pa ，摩擦角 17°，膨胀角△二 20°。

试用FLAC/软件建立单位厚度的计算模型，并进行网格剖分，参数赋值，设定合理的边界条件，利 用FLAC 3D 软件分别计算不同坡角情况下边坡的稳定性，并进行结果分析。

附换算公式：331 kN/m = 100 kg/m剪切弹性模量：图1倾角为30。

的边坡（•单位:、m ））F 图2倾角为45 ’的边坡（单位：m ）9X ---------------------------------------------------1 __________ 109__________图3倾角为60」的边坡（单位：m ）实例分析：1）坡角为30。

时的边坡情况：25.36■4010Q4048.452体积弹性模豊FLAC3D 3.00Se!tif>as: Mcoe< Perspectr/e 16：5O 15 Sal JLH07 2008Center:Elation:X： 5.000^001X： o ooo 丫：Y: 0.000Z 3-OOOe^OOl z：o.oa)D«： 2.77564002Mag.: iAro ： 22.500eerier:Roialion X： 5 (X064001 X： o ooo Y： i.COOe*000 Y: 0.000Z 3.000e.001 Z： 0.000 DiSl：2-775e^ OOMaa，：1Ang: 22500计算代码（模式）new ;开始一个新的分析gen zone brick pO 0 0 0 pl 100 0 0 p2 0 2 0 p3 0 0 40 &size 50 1 10 gen zone brick &;生成下面的矩形，沿x、y、z二房向分为50, 1，10分pO 40 0 40 p1 100 0 40 p2 40 2 40 p3 74.64 0 60 &p4 100 2 40 p5 74.64 2 60 p6 100 0 60 p7 100 2 60 &size 30 1 10；生成上面的梯形，沿X 、y、z二房向分为30，1，10分fix z range z -0.1 0.1fix x range x -0.1 0.1fix x range x 99.9 100.1fix y range y -0.1 0.1fix y range y 1.9 2.1model mohrprop coh=4.2e4 ten=8e5 fric=17；固定模型底面；固定模型左面；固定模型右面；固定模型前面；固定模型后面；库伦摩尔模型；力学参数赋值ini den s=2500set gra=0,0,-9.8prop bulk 8.3e7 shear 3.85e7 ini zvel 0ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0 plot create slope ；重力设置乂方向初始速度为°X y Z方向初始位移为仓IJ 建一个斜坡添加坐标轴plot add axes plot add block plot show solve fos file slope3dfos.sav associated强度折减法求解FLAC3D 3.0 025701 M 8ei Per spec ttv e22：14 18 sal Jun 07 2006SurfaceM 啣ac ■ O OOOe. 000Velocityf/ ac im im - 4.906e 007Lines ty e图4网格剖分图图5速度矢量图FLAC3D 3.00 Step 2570i Mo<3e< Perspective 22：l7：l7SalJun07 200er L A u u n.uu$top 2S701 M odd Per spectrv e 222036SalJ un 07 2038Cemer: Rotation:XrS OOOe-OOl X： 0.000Y： 1.0004000 Y： 0.000Z： 30006.001 Z： 0830«： 2.77564002 Mag. 1。

交通与土木工程河南科技Henan Science and Technology总第874期第3期2024年2月收稿日期：2023-07-20作者简介：罗贤欢（1998—），男，硕士生，研究方向：地质工程与地质灾害。

通信作者：吴琦（1967—），男，博士，教授，研究方向：地质工程与地质灾害。

基于FLAC 3D 的路堑边坡稳定性分析罗贤欢　吴　琦（华北水利水电大学，河南　郑州　450046）摘　要：【目的】道路切割坡体、暴雨和车辆荷载等条件会对路堑边坡的稳定性造成极大的影响。

本研究以辉县市上八里镇回龙村张沟边坡为例，根据边坡所处的环境特征，分析其在不同工况影响下的变形特征及稳定性，为边坡的防治提供依据。

【方法方法】使用FLAC 3D 软件对边坡进行数值模拟，研究边坡在天然和暴雨条件下的变形和稳定性，并调用FLAC 3D 内置的Fish 函数对路堑边坡坡前道路车辆产生的动荷载进行模拟，对动荷载下滑坡体内部的变形特征进行分析。

【结果】①边坡在天然和暴雨情况下的稳定性系数分别为1.9和1.186；②坡前公路动荷载峰值由1×105 N 增加为1×106 N 时，坡脚处水平最大应变值增大13.4%，后缘水平最大应变值增大13.2%。

【结论】暴雨降低了岩土体的强度，直接破坏了边坡的稳定性，坡前竖直方向动荷载增加了坡体水平方向剪切带的连续性，但其对坡体最大应变量造成的影响较小。

关键词：辉县市；路堑边坡；FLAC 3D ；动荷载；稳定性中图分类号：U416.1 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）03-0060-05DOI ：10.19968/ki.hnkj.1003-5168.2024.03.012Stability Analysis of Cutting Slope Based on FLAC 3DLUO Xianhuan WU 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 in⁃fluence 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 pre⁃vention. [Methods ] The FLAC 3D software was used to simulate the deformation and stability of the slopeunder natural and rainstorm conditions, and the FLAC 3D built-in Fish function was called to simulate thedynamic load generated by the road vehicles before the cutting slope, and the deformation characteristicsof 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 strainvalue 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 di⁃rectly destroys the stability of the slope, and the vertical dynamic load before the slope increases the con⁃tinuity of the horizontal shear band, but the influence on the maximum stress variable of the slope body issmall.Keywords: Huixian city; cutting slope; FLAC 3D ; dynamic load; stability0 引言近年来，在极端天气及人类工程活动的影响下，地质灾害频发，滑坡灾害严重威胁人民的生命财产安全。

在我国经济高速发展的同时，公路、铁路等基础设施建设的发展也突飞猛进。

截止到2019年年底，我国建成的公路里程达到501.25万公里，其中高速公路约为14.96万公里，规模位居世界第一[1]。

同时我国也是一个多山、多丘陵的国家，工程建设开挖出大量的人工边坡，对水土保持、生态环境等都产生了不利的影响。

传统的护坡主要采用浆砌石护坡、锚喷护坡等方法，技术相对成熟，但在环境保护、运营维护方面仍存在许多问题，比如经济成本高、与自然景观融合不好、不利于生态环境保护等。

现阶段提倡采用植被护坡的方法不仅能弥补传统护坡的不足，在保证边坡稳定性的同时还能美化生态环境，在我国交通建设中已逐渐得到了广泛应用[2]。

关于植被根系是如何改善边坡稳定性的问题，国内外专家学者从力学、水文和生态效应等方面进行了大量研究，总结出很多有效的结论。

封金财[3]等认为植被根系护坡是通过根系整体的加筋作用以及粗长根的短锚杆作用。

赵华[4]将生态护坡分为广义生态护坡和狭义生态护坡，狭义生态护坡指在斜坡上种植护坡植物，利用根系的锚固作用改善表层岩土体物理力学参数；广义生态护坡是将新兴的生态植被护坡与传统护坡相结合，利用传统护坡技术保证边坡的深层稳定，生态护坡改善坡面景观，提高坡面浅层稳定性。

孙红[5]等基于CHASI 软件研究不同植被类型在降雨入渗条件下，通过改变填土体的内摩擦角等参数，评价不同类型的植被对边坡稳定性的改善效果。

朱力[6]等人从微观角度对护坡植被根系和土体的相互作用开展了研究，分析了已知植被根系强度及其在岩土体中分布的情况下，植被护坡的锚固力学机理。

肖本林[7]等人通过建立植被根—土复合体力学模型研究根系的抗拉锚固能力，得出植被根系提高岩土体的抗剪强度主要是通过接触面的摩擦把根系的拉应力转换成土体的抗剪应力。

刘瑾[8]等人从改善土体力学性质出发，采用高分子聚醋酸乙烯酯型稳定剂提高坡面的岩土体参数，从而提高土体强度和抵抗雨水的冲刷，同时有利于改善土体的保温和透气功能，促进植被的生长和发育。

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。