2021年1月
第43卷第1期
地下水
Ground water
Jan. ，2021
Vol.43 NO. 1
D O I：10. 19807/j.c n k i.D X S.2021 -01 -043
基于FLA C3D的土质边坡稳定性分析
付雪，石磊，林建国，缪云腾
(甘肃省地质矿产开发局第一地质矿产勘查院，甘肃天水741020)
[摘要]采用F L A C3D模拟三维土体、岩体或其他材料力学特性，尤其是达到屈服极限时的塑性流变特
性，在 边坡稳定性分析中具有重要的应用。F L A C3D已经在土质边坡稳定系数和边坡变形特征研究中被广泛应用。以兰州 市某土质边坡为例，基于F L A C3D方法，选取边坡中部两个典型剖面进行计算，分析其天然工况下塑性、剪应力变化、稳定性及变形趋势，并结合实际调查结果，验证计算参数选取的合理性。研究结果可知：在不考虑人为及其它因素影响的情况下，土质边坡在自然工况下基本稳定，但从实际模拟过程来看，模拟计算结果一般偏大。故综合认为，为使土质边坡在自然条件下稳定，边坡坡度应<45。。
[关键词]边坡稳定性；塑性区；剪应力增量；F L A C3D
[中图分类号]T U413.6 +2 [文献标识码]A[文章编号]1004 - 1184(2021)01 -0121 -02
Analysis of soil slope stability bad on F L A C3D
FU X ue, SHI L ei, LIN Jian - guo, MIAO Yun - teng
(T h e F ir s t In s titu te o f G e o lo g ic a l a n d M in e r a l E x p lo r a t io n,G a n s u G e o lo g ic a l a n d M in e r a l D e v e lo p m e n t B u r e a u,T ia n s h u i
G a n s u 741020, C h i n a)
Abstract ：F L A C is u s e d to s im u la t e th e m e c h a n ic a l p r o p e r t ie s o f ro c k m a s s o r o th e r m a t e r i a l s,e s p e c i a l ly th e p la s t ic flo w
c h a n g e s p r o p e r t ie s w h e n th e y ie l
d lim it is r
e a c h e d,w h ic h h a s a n im p o rta n t a p p lic a t io n in s lo p e s t a b ilit y a n a l y s i s.F L A C3I>in
s o il s lo p e s t a b ilit y c o e ffic ie n t a n d c h a r a c t e r is t ic s o f s lo p e d e fo rm a tio n a r e w id e ly u s e d in th e s t u d y a s o il s lo p e in L a n z h o u c it y
a s a n e x a m p l e,
b a s e d o n F L A C30m e t h o d,s e le
c t io n o f th e s lo p e in th e m i
d d l
e o
f tw o t y p ic a l s e c t io n to c a l c u l a t e,a n a ly z e its
n a t u r a l c o n d it io n s a n d p la s t ic s h e a r s t r e s s c h a n g e s,th e tr e n d o f d e fo rm a tio n a n d s t a b ilit y a n d c o n n e c t in g w ith th e a c t u a l s u r v e y r e s u l t s,v e r ify th e r a t io n a lity o f th e c a lc u la t io n p a r a m e t e r s s e le c t io n r e s e a r c h r e s u lt：w ith o u t c o n s id e r in g th e e f f e c t s o f m an - m a d e a n d o t h e r f a c t o r s,th e s o il s lo p e u n d e r n a tu r a l c o n d it io n s b a s i c a ll y s t a b l e,b u t fro m th e p o in t o f a c t u a l s im u l a t i o n,s im ula tio n r e s u lt s g e n e r a lly la r g e r.T h e r e f o r e，it is c o n c lu d e d th a t in o r d e r to m a k e th e s o il s lo p e s t a b le u n d e r n a t u r a l c o n d it i o n s, th e s lo p e g r a d ie n t s h o u ld b e L e s s th a n45.
Key w ords：S o il s lo p e s t a b ilit y；p la s t ic z o n e；s h e a r s t r e s s i n c r e m e n t；F L A C3D
数值方法进行边坡的应力分析始于上个世纪60年代，
其常用的数值模拟方法有：有限元法、有限元差分法、边界元
法等。自上世纪70年代以来，有限元法已经广泛使用在土
体的动力变化分析中[|]。拉格朗日元在边坡变形问题中普
遍被采用，美国I t a s c a公司推出的F L A C3D&被运用于边坡
动力变化分析中[3]。本文采用F L A C3D对某土质边坡稳定性
进行模拟，将模拟结果与已发生变形对比，分析其变形特征
及发展趋势。
1边坡基本概况
该土质边坡为人工削坡而成（图1)，平面形态呈“梯
形”，坡顶宽52.5 m、底宽81.4 m，西侧坡高29 ~ 38 m、东侧
38 ~40 m；剖面形态呈“折线形”，坡度46° ~ 54°，呈下陡上
缓的特点。
边坡出露的地层主要有第四系上更新统风积黄土、粉质 粘土及冲洪积砾卵石。
1)第四系上更新统风积黄土：分布于斜坡上部，海拔1 543 ~ 1 545 m，厚度12 ~28 m。主要为粉土，浅黄色，质地均一，土 体结构疏松，具大孔隙，垂直节理发育，具较强湿陷性。
图1土质边坡区域地理图
2)粉质粘土：分布于斜坡中部，海拔1 515 ~ 1 518 m之 间，厚度3 ~4m。主要为黄土状土，夹薄层细砂层，具水平层
理，较密实，干燥状态下较为坚硬，具弱湿陷性。
3)冲洪积砾卵石层：分布于斜坡下部，出露厚度> l〇m。灰一青灰色，次棱角状，分选性较好。粒径2 ~5c m的占
[收稿日期]2020 -08 - 10
[作者简介]付雪（1983 -)，女，河南项城人，工程师，主要从事水工环地质工作。
121
第43卷第1期地下水202丨年1月
35% ,5 ~ 8 c m的占25% ,8 c m以上的占20% ，可见最大粒径
46 cm；泥砂充填物占20% ，密实、干燥一稍湿。
2计算模型建立
对同一地层中岩土体的性质作均一化假设，本次数值模
拟计算采用？1^(：3°软件进行。根据土工试验结果，确定本次
计算边坡土体物理力学参数见表1。
表I边坡土体物理力学参数
密度/kg/m3弹性抗剪体积切变内摩
土类模量泊松比强度模量模量擦角
/MPa/kPa/MPa/MPa/°粉土1 348800.3317.6783020.7
粉质粘土1 6401200.3120.61054625.2
砂砾卵石 2 1903000.38.325011545.6本次计算选取边坡中部的两个典型剖面进行计算（图2、图3)，从而分析该边坡整体的动力变化[4]。
(图5)长x宽x高= 41.2x l.0x42.6 m；计算条件为天然工况，本构模型采用Mohr- Coulomb模型，初始应力场按自重 应力场考虑，计算收敛准则为不平衡力比率满足1〇~5的求解 要求，计算时步上限为30 000 steps。模型的边界条件为底部固定约束，侧面及后面限制水平移动，顶面为自由面，采用三 角形网格对模型进行网格划分，模型1划分后共有9 016个 单元，2 636个节点，模型2划分后共有6 883个单元，2 213 个节点。
图4①号剖面区域建模图 图5②号剖面区域建模图
3计算方案与模拟结果
为了更好的分析计算过程中边坡的变形破坏特征，沿坡 面分別设置8处监测点，用于监测该点处的位移状况。采用 £1%3<!求解安全系数法（强度折减法）进行数值计算[5]，经分 析计算结果，天然工况下剖面1安全系数1. 13、剖面2安全 系数为1.22。
由剪应变增量云图可知，剖面1存在一潜在滑动面，从坡 脚一直延伸到坡顶，尤其是坡脚处剪应变增
量值相对最大，说明该段边坡的失稳最先是从坡脚处的剪切破坏开始的，剖 面2与剖面1则相反，坡顶的剪应变增量值相对最大，最先 失稳的是从坡顶开始。
通过FLAC3D计算土质边坡的剪应力变化，初步了解边坡变形的初始部位，进而模拟两处斜坡段的塑性变量（见图8、图9)。
图6模型1剪应变増量云图图7模型2剪应变増量云图
图8 模型1塑性区图 图9 模型2塑性区图
由图8、图9可知，在折减系数达到1. 13、1.22时，边坡
恰好处于极限平衡状态，坡体内部塑性区从坡顶到坡脚完全
贯通，形成完整的滑动面，边坡开始发生滑动破坏，此时，各
个监测点处的x方向位移均呈先快速增大后逐渐趋于稳定的
变化特征，且整体变形量也较小，说明边坡处于相对稳定状
态，没有发生失稳破坏，这和数值计算得到的边坡安全系数
为 1. 13、1.22 —致。
4结语
(1)在自然工况下，模型1坡脚处的位移远大于坡体内部的位移，坡脚最先发生变形，且变形量也较大；模型2坡体
上部的位移远远大于坡体其它部分，这与边坡的失稳破坏机
制是一■致的D
(2)在实际调查中，剖面1没有发生明显的滑动；剖面2 左侧，发生黄土浅层滑坡，滑体中部厚3〜5 m，根据滑坡的运
动形式为推移式[6i，坡体上部先发生变形推动下部滑动，这
与模型2模拟该段边坡的失稳最先是从坡顶处的剪切破坏
开始一致。
(3)本次模拟重点在分析土质边坡在自然工况下的稳定 性，选取的2个剖面坡度为45.5°、47. 6'在模拟
计算稳定性
为1. 13、1.22，其结果是在不考虑人为及其它因素影响的情
况下，土质边坡基本稳定，但在实际调查过程中，剖面2左侧
发生浅层黄土滑坡，说明在模拟计算结果趋于大。综合人
为，为使土质边坡在自然条件下稳定，边坡坡度应<45°。
参考文献
[1]郭璇，赵成刚，等.非饱和土边坡稳定的安全分析与进展[•!].中
国安全科学学报.2005.丨5(丨）：14 - 18.
[2]黄润秋，徐强.显式拉格朗日差分分析在岩石边坡工程中的应用
[J].岩石力学与工程学报.1995. 14(4) :346 -354.
[3] Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of
Continua in3 D mensions) ,version21 ,urs manual[Z].Itasca Con
sulting Group Inc.2002.
[4]沈金瑞，林杭.多组节理边坡稳定性？1^(：31)数值分析.中国安全
科学学报.2007. 17( 1 ) :29 -33.
[5]张玉灯.FLAC3D在岩质边坡稳定性分析中的应用.路基工程.
2008.141(6) ：164 - 165.
[6]王宝亮，彭盛恩，陈洪凯.推移式滑坡形成机制的力学演绎.地质
灾害与环境保护.2010.21 (2) :75 -77.
122
