基于FLAC3D数值模拟求解边坡安全系数

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。

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。

基于FLAC3D的特大型露天边坡稳定性数值模拟分析提纲：第一章：引言- 研究背景和意义- 国内外研究现状和进展- 研究目的和内容第二章：理论基础和数值模拟方法- 岩土力学基础理论- 边坡稳定性分析方法- FLAC3D软件介绍及使用方法第三章：数值模拟分析- 选取模拟模型及边界条件- 调试模型参数和边界条件- 分析模型的动态响应及应力变形分布第四章：模拟结果分析及讨论- 不同荷载及边坡角度条件下边坡的稳定性分析结果- 分析影响稳定性的因素及其重要性- 建议边坡的设计和加固方式第五章：结论与展望- 结论总结- 存在问题及展望未来研究方向- 对边坡设计和加固的意义和应用前景的评价注意：此提纲为中文版，如需翻译成英文可使用在线翻译工具进行翻译。

第一章：引言随着城市化的加速和工业经济的不断快速发展，大型的露天开采工程在当今社会中已成为常态。

然而，这些巨型露天工程也面临着一系列的问题，其中最重要的问题之一是边坡稳定性问题。

由于不同地形条件和巨大的冲击力，这种问题极其棘手，需要进行彻底和全面的研究。

边坡稳定性数值模拟分析是一种非常重要的研究方法，可以帮助工程师理解边坡的工程行为和各种负荷受力情况。

在此过程中，FLAC3D软件已经得到广泛的应用，它可以通过数值计算法来模拟实际的边坡开挖和加固过程，有效预测边坡的稳定性情况。

在分析边坡稳定性的过程中， FLCA3D模拟技术已经成为一种有效和可靠的工具。

本文旨在通过FLAC3D软件，对大型露天边坡的稳定性进行数值模拟分析，并通过实验结果来探讨边坡稳定性的各种因素和影响，以此作为改进边坡设计和加固方案的依据。

本论文内容分为四个章节，除此外还有引言和结论部分。

在本章中，我们将首先介绍大型露天开采工程中边坡稳定性问题的背景和意义。

其次，我们将对国内外关于边坡稳定性问题的研究进行回顾和评价。

最后，我们将阐明本研究的目的和内容。

首先，随着城市化的加速和工业化的迅速发展，巨型露天开采工程已经成为当今社会的常态。

基于FLAC3D的边坡稳定性安全系数分析1.1地形地貌研究区原始地形在西部、东部、北部均为河谷，高程约为 101~104 米，由山脊三级阶地往下还分布有二级阶地、一级阶地及河漫滩。

因而原始地形往西部逐渐降低，自然坡度在8~30左右，往北山脊高程逐渐降低，由153.1米降至128米。

1.2工程地质岩组（1）地层滑坡体及其所处山脊地层由老至新分布为：①古生界二叠系下统柯岛组(P1K2)，由柯岛组中的上亚组杂色凝灰质砂岩组成，是本次滑坡研究区内最老的地层。

②新生界第四系更新统（Qp2nl），由卵石夹粗砂层组成。

③第四系全新统Ｑh，由残坡积层组成,其下部为基岩风化物，上部有少量耕植土该层厚度仅0~2m，主要分布于山脊及山坡上。

（2）工程地质岩组削坡前对滑坡按岩性将其分为三个组，其中第一岩性组为滑坡地下水位以上的二叠纪柯岛组凝灰质砂岩层，第二岩性组为地下水位以下饱水二叠纪柯岛组凝灰质砂岩层，第三岩性组为花岗岩层。

1.3地质构造（1）岩层产状山脊三级阶地下分布的二级阶地、一级阶地及河漫滩，自然坡度在8~30左右，往北山脊原始坡度较小，直至到达河后自然坡度才较大，达8~20左右。

研究区东部同样由山脊上的三级阶地逐渐过渡至布尔哈通河河漫滩，但自然坡度较缓，约为8~10左右。

杂色凝灰质砂岩倾向北东，倾角在14°~22°左右。

（2）断层研究区内主要分布有断层F1、F2及F3（NW60°~ NW88°间），其中F1及F2走向均为SE145°,近于平行，倾角约60°~ 70°，倾向SW。

F2断层带宽约11m，断层带内充填断层泥及破碎角砾，断层泥多呈深灰黑色，强度极低，断裂带内具有大量的水平向擦痕，断层泥呈极光亮镜面。

在F１通过路基部位，形成了滑坡体的最深滑动面。

F1断层带宽约10m，其下盘主要为深部相花岗岩分布。

（3）节理裂隙对滑体内岩体进行了节理统计，在研究区内有两组节理较为发育，一组为倾向NE，倾角约30°左右，另一组为倾向SW，倾角15°~18°。

基于FLAC 3D进行堆载作用下边坡稳定分析王洪兵1姚磊华1文 海2(1.中国地质大学(北京)工程技术学院 北京市 100083 2.云南省交通规划设计研究院 昆明市 650011)提 要 调查分析保腾高速公路五合立交区边坡工程地质条件,通过ANSYS 、FLAC 3D 建立边坡复杂三维地质模型。

运用FLAC 3D 模拟分析边坡在堆载作用下三维位移场、应力场分布规律,研究边坡岩土体力学响应特性及可能的内在变形破坏机理。

由强度折减法计算其安全系数,结果与极限平衡法计算结果一致。

综合分析评定立交区边坡整体处于稳定,后缘局部可能崩塌滑移,为工程开展提供依据。

同时探讨了边坡不同位置的堆载作用对其稳定性的影响,得知此类坡体在坡脚及中部堆载对边坡稳定有利,中部尤为明显,坡顶堆载对其稳定极为不利。

关键词 FLAC 3D 边坡堆载 强度折减 边坡稳定Stability Analysis of S lope under Preloading based on FLAC3DWang Hongbing 1Yao Leihua 1Wen Hai2(1.Faculty of Engineering and Technology,China University of Geosciences (Beijing)2.Institute of Traffic Planning and Design of Yunnan Province)Abstract On the basis of investigation of engineering geological conditions of slope in Wuhe interchange zoneof Paul Teng e xpressway,this paper established a comple x three dimensional geological model of slope using ANSYS and FLAC3Dsoftware.Also through FLAC 3D,this paper simulated and analyzed three dimensional dis -placement field and stress distribution la w under preloading,then studied the mechanical response characteris -tics and the most likely deformation failure mechanism of slope rock ing the strength reduc tion method to calculate the safety factors,the calculation results were consistent with those of limit equilibrium method.Through analysis and assessment,the author believed that the landslide was in a stable state as a whole,but the parts on the trailing edge may c ollapse and slip,which provided the basis for further development of the project.This article also discussed the slope stability because of slope different locations preloading.The re -sults are obtained that such preloading at the foot and central heap of slope would be stability and favorable,and be more obvious at central,but preloading in the top of slope would be adverse extremely to its stability.Keywords FLAC 3D;slope under preloading;strength reduction;slope stability作者简介:王洪兵(1986-),男,硕士研究生,从事地质灾害评价方法与理论研究工作。