边坡稳定性分析的数值模拟.docx
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边坡稳定性分析的数值模拟
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二2500kg/n?
弹性模量E=1x108Pa,泊松比卩二0.3,抗拉强度ct二0.8x106Pa,内聚力C二4.2x104pa，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FLAC3D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：
33
1kN/m=100kg/m
2体积弹性模豊
剪切弹性模量：
25.36
■
40
10Q
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）
40
48.45
9
X
1109
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：
计算代码（模式）
new;开始一个新的分析
genzonebrickpO000pl10000p2020p30040&
size50110genzonebrick&
;生成下面的矩形，沿x、y、z二房向分为50,1，10分
pO40040p1100040p240240p374.64060&
p4100240p574.64260p6100060p7100260&
size30110
；生成上面的梯形，沿X、y、z二房向分为30，1，10分
fixzrangez-0.10.1
fixxrangex-0.10.1
fixxrangex99.9100.1
fixyrangey-0.10.1
fixyrangey1.92.1
modelmohr
propcoh=4.2e4ten=8e5fric=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
inidens=2500
setgra=0,0,-9.8
propbulk8.3e7shear3.85e7
inizvel0
inixdisp0ydisp0zdisp0plotcreateslope
；重力设置
乂方向初始速度为°
XyZ方向初始位移为仓IJ
建一个斜坡添加坐标轴
plotaddaxesplotaddblockplotshowsolvefosfileslope3dfos.savassociated
强度折减法求解
最终计算边坡的稳定性系数为：
Fs二1・47
半为把最后不平衡力写进指定的文件名中这最后两句可以一次写完：
solvefosfileslope3dfos.savassociated
-XKIZoaa・P
■aBtpwUILJU
图10速度等值线图
图ii位移等值线图
最终计算边坡的稳定性系数为：
Fs
=1.13
3）坡角为60°时的边坡：
代码：
newgenzonebrickpO000pl10000p2020p30040size501
10genzonebrick&
pO40040p1100040p240240p351.55060&p4100240p5
51.55260p6100060p7100260&size30110
;创建模型
;固定底面
;固定左面
;固定右面
;固定前面
;固定后面
fixzrangez-0.10.1fixxrangex-0.10.1fixxrangex99.9100.1fixyrangey-0.10.1fixyrangey1.92.1modelmohrpropcoh=4.2e4ten=8e5fric=17
;摩尔库伦模型
•参数脯侑
iniden
se^gra^=0,0,-9.8
propbulk8.3e7shear3.85e7inizvel0rangez060y02x0100plotcreateslopeplotaddaxesplotaddblock
plotshow
;初始速度为0
;创建一个斜坡
;添加坐标轴
solvefosfileslope3dfos.savassociated
miuM
#芬庫.Titr
UKHPVHKM
图12网格剖分图
图13速度矢量图
FLAC3D3.00
Step29011McxleiPerspective09：
6941SunJun082008
Center:
Rotation：
X：
50004001X：
0000
Y：
I.OOOe-OOOY：
0000
2：
30006-001Z：
0000OiSt：
2.775640O2Maa:
1
Ang.:
22.600
Surface
htaprac・0.0血.0（0
ContourofDisplacementMac
m和ac-OOOOe-ooo
|O.OOOOe-000001.0CC09001
1-OOOOe-001102.0000e-001200006-OOH03.COOOe0013.00006-001104.0000e-001-4.000>e001to5.0000©001▼5.0»Oe001toe.OCCC©001OOCOe001to7.00009001•-7.3X0001IO8.0CCO&8J8.（XK）0e-00no9.C0O3e001
^rf.ervai-i.Oe-001
图14速度等值线图
itascaConsuningGrouo.ire.MimBapciis.MNUSA
图15位移等值线图
最终计算边坡的稳定性系数为：
Fs二0.94。
4）模拟开挖过程：
选取坡角为60。
情况下，模拟边坡开挖过程中边坡稳定性系数的变化。
网格剖分图如下图16,拟要开挖有二个部分，每次开挖后计算的边坡稳定性系数Fs=1.24。
〃建立网格模型〃
new
genzonewedgepO51.55260p160260p251.55060p340240p460060p540040size81
20group1;开挖块体一
genzonebrickpO50050pl53050p250250p360060p453250p560260p663060p7
63260size3110group2；开挖块体二
genzonebrickpO53050pl100050p253250p363060p4100250p563260p6100060p7100260size47110
genzonebrickpO40040p1100040p240240p350050p4100240p550250p6100050
p7100250size50110genzonebrickpO-0.800p110000p2-0.820p3-0.8040p410020p5・0.8240p6100040p7100240size84120
fixzrangez-0.10.1
fixxrangex-0.9-0.8
;创建模型
fixxrangex99.9100.1
fixy
modelelas
;固定左面
;固定右面
propcoh=4.2e10ten=8e10fric=17
propdens=2500
modelmohr
；固定y方向
；弹塑性模型
propcoh=4.2e4ten=8e5fric=17propdens=2500
setgra=0,0,-9.8
propbulk8.3e7shear3.85e7
inizvel0xvel0
inixdisp0ydisp0zdisp0
plotaddsurface绘出面
setplotjpg设置jpg文件的输出质量plothard把当前视图发送到打印设配
；z,x方向初始速度为0
pause
solvefosfileslope-meikaiwafos.savassociated
modelnullrangegroup1
modelnullrangegroup2
plotsurf
solvefosfileslope-kaiwafos.savassociatedsolve
;强度折减法求未开挖之前的解
;开挖块体一
;开挖块体二
;强度折减法求幵挖后的解
FL.4CSP
!
；•；・T1弭NCdtIRrafKJMI白4THFnNn1［巧
Rnwl
KdMteW3LDOWY1忱TDOWE1SDK
tai+1
Sate
图16边坡开挖后结果
图17边坡开挖后的速度矢量图
H.ICWMG.SMI7W.IW^nMCMiMlWFuHtlsaMIII
&■J
rppffl
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Z:
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25iinu^niidi2E*HhW
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A
图18开挖后的位移等值云图
VKiuorMvUAAkFmwbKtannii：
i
图19开挖后的速度等值云图
FLAC3DS.00
Stef19020Mod出Re•丑e血B
17：
K：
3&FhN0VZ22013
RotetnncX:
DOOO¥:
0000z：
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1
Aug22500
penttC
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Y：
1.0006*00）h:
1000+001
[M2.7971AQ2
ItascaConsulting（Anup,IncbMv>BAOla/*MNUSA
图20幵挖后的位移图
最终计算边坡的稳定系数为：
Fs二1・24
该边坡由开始开始Fs=0.94,经过先后开挖①、②，开挖后计算的边坡稳定性系数为1.24。
可见在一定范围内，边坡开挖对于该边坡的稳定有利。
2、数值模拟成果分析
2.1基于FLAC%的强度折减法边坡稳定性分析原理
21.1FLAC%软件特点
FLAC是一种用于工程力学计算的二维显式有限差分程序。
该程序可以模拟由土岩石和其他的在达到屈服极限时会产生塑性流动的材料所建造的结构的特性。
材料通过单元和区域
的形式表达，由他们形成网格，用户可以自行调整网格来匹配被模拟物体的形状。
每个单元
根据事先与应力和边界约束所对应的线性和非线性应力应变法则进行模拟。
材料既可以屈服也可以流动，并且网格在大应变下会随着所代表的材料发生变形和移动。
2.1.2强度折减法边坡的安全系数定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时，对土体的剪切强度的折减程度。
即把安全系数定义为土的实际抗剪切强度与临界破坏时的折减后的剪切强度的比值。
这种强度折减技术应用到有限差分或有限元分析中可以表述为：
保持岩土体的重力加速度为常数，通过逐步减小抗剪强度指标，将C,①值同时除以折减系数Fs,得到一组新的强度指标
Ci、①i，然后进行有限差分或有限元分析，反复计算直至边坡达到临界破坏状态，此时采用
的强度指标与岩土体原具有的强度指标之比即为该边坡的安全系数Fs.
2.2边坡岩体中的应力、应变分布特征
2.2.1应力分布特征
（1）边坡面附近的主应力迹线均明显偏转，表现为最大主应力与坡面近于平行,最小主应力与坡面近于平行，向坡体内逐渐恢复初始应力状态。
（2）由于应力的重分布,在坡面附近产生应力集中带，不同部位其应力状态不同的。
在坡脚附近，平行坡面的切向应力显著升高，而垂直坡面的径向应力显著降低，由于应力差大，于是就形成了最大剪应力增高带，最易发生剪切破坏。
在坡肩附近，在一定条件下坡面径向应力和坡顶切向应力可转化为拉应力，形成一拉应力带。
边坡愈陡，则此带范围愈大，因此，坡肩附近最易拉裂破坏。
（3）在坡面上各处的径向应力为零，因此坡面岩体仅处于双向应力状态,向坡面逐渐转为三向应力状态。
（4）由于主应力偏转，坡体内的最大剪应力迹线也发生变化，由原来的直线变为凹向坡面的弧线。
2.2.2影响边坡应力分布的因素
（1）天然应力。
表现在水平天然应力使坡体应力重分布作用加剧，即随天然应力增加，坡体内拉应力范围加大。
（2）坡形、坡高、坡角及坡底宽度等，对边坡应力分布均有一定的影响。
坡高虽不改变坡体中应力等直线的形状，但随坡高增大，主应力量值也增大。
坡角大小直接影响边坡体岩体应力分布图像。
随坡角增大，边坡岩体中拉应力区范围增大，坡脚剪应力增大。
坡底宽度对坡脚岩体应力也有较大的影响。
（3）岩体性质及结构特征。
岩体的变形模量对边坡应力影响不大,而泊松比对边坡应力有明显的影响。
2.3该实例中边坡应力、位移分析
2.3.1坡角为30度
（1）该边坡体X方向取100m,丫方向取为2m,Z方向最高取为60m，总共有1742节点，800单元体。
（2）从速度矢量图，可以发现在坡面速度较大，且方向指向临空面。
往内部，速度状态渐趋原始。
最大速度达到1.885e-5m/s。
（3）从速度等直线图可以发现，在重力场作用下，坡面部分土体发生了位移。
且速度呈现越靠近坡脚，逐渐增大的趋势。
（4）从Z方向的位移等直线图可以发现，Z方向位移沿坡面向坡体逐渐减小。
到一定深度，
位移基本没有。
采用强度折减法最后得到，30度坡角的边坡稳定性系数为1.47。
根据经验，在粘聚力为
42KPa，摩擦角为17度的土体，在坡角为30度时，仅在重力场作用下是不会发生滑移的。
证明采用该法进行数值模拟可以得到较符合实际的结果。
2.3.2坡角为45度
（1）该边坡体X方向取100m,丫方向取为2m,Z方向最高取为60m，总共有1742节点，800单元体。
（2）从速度矢量图，可以发现在坡面速度较大，且方向指向临空面。
往内部，速度状态渐趋原始。
最大速度达到8.341e-3m/s。
（3）从速度等直线图可以发现，在重力场作用下，坡面部分土体发生了位移。
且速度呈
现越靠近坡脚，逐渐增大的趋势。
且在45度条件下,产生了坡脚的应力集中现象。
导致该处速度较大。
（4）从Z方向的位移等直线图可以发现，Z方向位移沿坡面向坡体逐渐减小。
到一定深度，
位移基本没有。
采用强度折减法最后得到，45度坡角的边坡稳定性系数为1.13。
根据经验，在粘聚力为
42KPa，摩擦角为17度的土体，在坡角为45度时，仅在重力场作用下是不会发生滑移的。
但是随着坡角的增大，稳定性系数降低。
证明采用该法进行数值模拟可以得到较符合实际的结果。
2.3.3坡角为60度
（1）该边坡体X方向取100m,Y方向取为2m，Z方向最高取为60m，总共有1742节点，800单元体。
（2）从速度矢量图，可以发现在坡面速度较大，且方向指向临空面。
往内部，速度状态渐趋原始。
最大速度达到3.593e-3m/s。
（3）从速度等直线图可以发现，在重力场作用下，坡面部分土体发生了位移。
且速度呈
现越靠近坡脚，逐渐增大的趋势。
且在60度条件下,产生了坡脚的应力集中现象。
导致该处
速度较大。
（4）从Z方向的位移等直线图可以发现，Z方向位移沿坡面向坡体逐渐减小。
到一定深度，
位移基本没有。
采用强度折减法最后得到，60度坡角的边坡稳定性系数为0.94。
根据经验，在粘聚力为
42KPa，摩擦角为17度的土体，在坡角为60度时，在重力场作用下是可能会发生滑移的。
随着坡角的增大，稳定性系数降低。
证明采用该法进行数值模拟可以得到较符合实际的结果。
2.4结论
从各种改变条件的边坡稳定f生数值模拟可以发现以下规律：
1、随着坡角的增大，边坡的稳定性是逐渐降低的,这说明边坡坡角是影响岩体稳定性的一个重要因素。
2、对于三个不同的边坡，运用FLAC3D软件，采用同一网格抛分模式，即上半部分采用30,1,10；下半部分采用50,1,10,可以发现：
速度矢量图和速度等值线图相差不是很大,但位移等值线图变化较大，说明坡角越大，对位移变化的影响也越大。
3、模拟的结果除了与坡角相尖外，还与网格的抛分和边界约束也有一定的尖系。
4、坡体上部竖直位移较大，下部水平位移较大。
边坡越陡，对边坡的位移等值线的抬升作用越大，对位移等值线的影响区域就更大。
因此，在相同的条件下，边坡越陡,其稳定性就越差，这与事实相符和。
Surface
MaghC-QOCgaiO
FoS
FfISnkiiit：
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ConhMjrDisplacumoilMag.
Uaghc・OWXW
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