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基于FLAC3D的高填矿渣边坡稳定性研究 张芳，罗平平 (河南理工大学土木工程学院，河南焦作454003) 摘要：某高填矿渣整体属软质岩石，多全风化土状和强风化状，砂岩碎块手刻可碎，边坡结构巯松、分逝陡 差、粒间结合力弱、透水性强．为研究该类边坡在自重作用下的稳定性和采用挡土墙加抗滑桩联合钢筋网喷射 混凝土复合支护后的变形特征，基于FLAC3D在处理大变形问题时的优越性，采用FLAC3D的强度折减法对 该高填矿渣边坡的潜在破坏面及复合加固方式下边坡的位移及稳定性进行了深入研究．计算结果表明，边坡在 自重作用下有一个很明显的滑动带，采用该复合支护后，边坡达到稳定状态． 关键词：矿渣边坡；稳定性分析；强度折减法；FLAC3D 1前言 边坡的稳定性是岩土工程与岩石力学实践中的一个突出问题。在对高填矿渣区的再利用中，边坡是 否稳定直接影响和制约着生产生活环境的安全。边坡的稳定性是进行边坡治理和加固的重要依据。本文 要研究的高填矿渣边坡，很容易在雨水侵蚀和人为扰动的影响下发生滑坡。通过FLAC3D数值模拟对边坡 未加固前和加固后进行对比分析，选择并确定加固方案。通过FLAC3D的三维立体图能更加直观地了解滑 动面的位置和最大位移，进而采取最有效的治理措施【¨。 2FLAC如的特点以及与有限元软件的对比分析 美国ItascaConsulting 岩土材料在达到强度极限或屈服极限发生的破坏或塑性流动的力学行为，特别适用于分析渐进破坏和失 稳及模拟大变形。可以模拟复杂的岩土工程或力学问题。三维快速拉格朗日法的最大优点是网格能随单 元的变形而更新，可以模拟岩土和其他材料的三维力学行为。由于它能方便地处理大变形问题，所以在 边坡的稳定性分析和模拟边坡加固中都经常用到【2j。 FLAC叩与常规有限元软件相比的优点有：最大的优点就是能够方便地解决大变形问题；FLAC3D采用 的是显式有限差分法，在内存较小的计算机上也可进行大规模的计算：FLACm具有强大的后处理功能， 可以方便输出的图形包括各个施工期的主应力向量图、各应力分量以及位移的等值线图、锚杆(锚索)以 及结构的受力向量图、塑性区范围等：FLAC3D是岩土工程稳定性分析非常有利的T具，与其它有限元软 件相比，它不需要对软件进行二次开发，可直接用于岩土分析例。 它基于显式差分法求解运动方程和动力方程，将计算区域划分为若干个单元，单元之间用节点相连， 对于在一个节点施加荷载后，该节点的运动方程可以写成时间步长的有限差分形式，在某一微小时间步长 内，作用于该点的荷载只对相邻的若干节点产生影响，这样根据单元节点的速度变化及时间步长，可求出 单元之间的相对位移，从而求出单元应变，然后再根据材料本构模型求解单元应力，随着时间步长增加，这 一过程将扩展到整个计算范围。FLACdD程序通过计算单元之间的不平衡力，将上一步得出的不平衡力重 新分布到各节点，再进行下一步的迭代，直至整个计算体系达到平衡状态(不平衡力足够小或各节点位移 趋于稳定1。这种算法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【4J。 3强度折减法 40 Geotechnical 2011年增刊第1期 工程勘察 InvestigationSurvrying 强度折减法是边坡稳定性分析中用得很广泛的一种方法。对于边坡，安全系数F一般定义为土的实 际抗剪强度与阻止其破坏的最小抗剪强度的比率。Ducan指出安全系数F为这样一个系数，即土的抗剪 此后有很多人应用过此方法。强度折减法最大的优点是临界破坏面或者破坏模式可以自动找到而不必事 先假定。利用强度折减法进行边坡稳定性分析时，根据下列方程用一系列的试验安全系数F酬调整抗剪 强度参数c和缈，用调整后的强度参数进行一系列计算直到边坡处于临界破坏状态，此时的声■，即为要 求的安全系数。 ‰，=c／‘埘 (1) 纸谢=q,／‰ (2) 强度折减法在FLAC3D中的实施过程为：首先，给山安全系数F的上限和下限，下限为任何使得计 算收