边坡稳定性分析的数值模拟

1、精选优质文档-倾情为你奉上1. FLAC3D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2500 kg/m3, 弹性模量E1108 Pa，泊松比0.3，抗拉强度t0.8106 Pa，内聚力C4.2104 Pa，摩擦角17，膨胀角20。试用FLAC3D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：1 kN/m3= 100 kg/m3剪切弹性模量：；体积弹性模量： 图1 倾角为30的边坡(单位：m) 图2 倾角为45的边坡(单位：m)

2、 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gen zone brick p0 0 0 0 p1 100 0 0 p2 0 2 0 p3 0 0 40 &size 50 1 10 ；生成下面的矩形，沿x、y、z三房向分为50，1，10分gen zone brick &p0 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三

3、房向分为30，1，10分fix z range z -0.1 0.1 ；固定模型底面fix x range x -0.1 0.1 ；固定模型左面fix x range x 99.9 100.1 ；固定模型右面fix y range y -0.1 0.1 ；固定模型前面fix y range y 1.9 2.1 ；固定模型后面model mohr ；库伦摩尔模型prop coh=4.2e4 ten=8e5 fric=17 ；力学参数赋值ini dens=2500set gra=0,0,-9.8 ；重力设置prop bulk 8.3e7 shear 3.85e7 ini zvel 0 ；z方向初始

4、速度为0ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0 ；x y z方向初始位移为0plot create slope ；创建一个斜坡plot add axes ；添加坐标轴plot add block plot showsolve fos file slope3dfos.sav associated 强度折减法求解 图4网格剖分图 图5速度矢量图 图6速度等值线图 图7 位移等值线图最终计算边坡的稳定性系数为：Fs1.472）坡角为45时的边坡情况：代码：newgen zone brick p0 0 0 0 p1 100 0 0 p2 0 2 0 p3 0 0 40 size 50

5、1 10gen zone brick &p0 40 0 40 p1 100 0 40 p2 40 2 40 p3 60 0 60 &p4 100 2 40 p5 60 2 60 p6 100 0 60 p7 100 2 60 & ；建立模型size 30 1 10fix z range z -0.1 0.1 ；固定底面fix x range x -0.1 0.1 ；固定左面fix x range x 99.9 100.1 ；固定右面fix y range y -0.1 0.1 ；固定前面fix y range y 1.9 2.1 ；固定后面model mohr ；摩尔库伦模型prop coh=

6、4.2e4 ten=8e5 fric=17 ；参数赋值ini dens=2500set gra=0,0,-9.8 prop bulk 8.3e7 shear 3.85e7ini zvel 0 range z 0 60 y 0 2 x 0 100 ；初始速度为0plot create xxx ；创建一个名为xxx的新视图plot add axes ；添加坐标轴plot add block ；根据不同的模型变量用不同的颜色绘出单元体面plot show ；屏幕上显示当前视图solve fos associated 自动查找安全因子，实施关联流动规则即膨胀角等于摩擦角solve fos file s

7、lope3dfos.sav ；前solvefos为自动查找安全因子，后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：solve fos file slope3dfos.sav associated 图8 网格剖分图 图9 速度矢量图 图10 速度等值线图 图11 位移等值线图最终计算边坡的稳定性系数为：Fs1.133）坡角为60时的边坡：代码：newgen zone brick p0 0 0 0 p1 100 0 0 p2 0 2 0 p3 0 0 40 size 50 1 10gen zone brick &p0 40 0 40 p1 100 0 40 p2 40 2 40 p

8、3 51.55 0 60 &p4 100 2 40 p5 51.55 2 60 p6 100 0 60 p7 100 2 60 &size 30 1 10 ；创建模型fix z range z -0.1 0.1 ；固定底面fix x range x -0.1 0.1 ；固定左面fix x range x 99.9 100.1 ；固定右面fix y range y -0.1 0.1 ；固定前面fix y range y 1.9 2.1 ；固定后面model mohr ；摩尔库伦模型prop coh=4.2e4 ten=8e5 fric=17 ；参数赋值ini dens=2500set gra=0

9、,0,-9.8 prop bulk 8.3e7 shear 3.85e7ini zvel 0 range z 0 60 y 0 2 x 0 100 ；初始速度为0plot create slope ；创建一个斜坡plot add axes ；添加坐标轴plot add blockplot showsolve fos file slope3dfos.sav associated ；强度折减法求解 图12 网格剖分图 图13 速度矢量图 图14 速度等值线图 图15 位移等值线图最终计算边坡的稳定性系数为：Fs0.94。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

10、。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/newgen zone wedge p0 51.55 2 60 p1 60 2 60 p2 51.55 0 60 p3 40 2 40 p4 60 0 60 p5 40 0 40 size 8 1 20 group 1 ；开挖块体一gen zone brick p0 50 0 50 p1 53 0 50 p2 50 2 50 p3 60 0 60 p4 53 2 50 p5 60 2 60 p6 63 0 60 p7 63 2 60 size 3 1 10 group 2 ；开挖块体二ge

11、n zone brick p0 53 0 50 p1 100 0 50 p2 53 2 50 p3 63 0 60 p4 100 2 50 p5 63 2 60 p6 100 0 60 p7 100 2 60 size 47 1 10 gen zone brick p0 40 0 40 p1 100 0 40 p2 40 2 40 p3 50 0 50 p4 100 2 40 p5 50 2 50 p6 100 0 50 p7 100 2 50 size 50 1 10gen zone brick p0 -0.8 0 0 p1 100 0 0 p2 -0.8 2 0 p3 -0.8 0 40

12、p4 100 2 0 p5 -0.8 2 40 p6 100 0 40 p7 100 2 40 size 84 1 20 ；创建模型fix z range z -0.1 0.1 ；固定底面fix x range x -0.9 -0.8 ；固定左面fix x range x 99.9 100.1 ；固定右面fix y ；固定y方向 model elas ；弹塑性模型prop coh=4.2e10 ten=8e10 fric=17 ；参数赋值prop dens=2500model mohr ；库伦摩尔模型prop coh=4.2e4 ten=8e5 fric=17prop dens=2500set

13、 gra=0,0,-9.8prop bulk 8.3e7 shear 3.85e7ini zvel 0 xvel 0 ；z，x方向初始速度为0ini xdisp 0 ydisp 0 zdisp 0plot add surface 绘出面set plot jpg 设置jpg文件的输出质量plot hard 把当前视图发送到打印设配pausesolve fos file slope-meikaiwafos.sav associated ；强度折减法求未开挖之前的解model null range group 1 ；开挖块体一model null range group 2 ；开挖块体二plot s

14、urf solve fos file slope-kaiwafos.sav associated ；强度折减法求开挖后的解solve 图16 边坡开挖后结果 图17 边坡开挖后的速度矢量图 图18 开挖后的位移等值云图 图19 开挖后的速度等值云图 图20 开挖后的位移图最终计算边坡的稳定性系数为：Fs1.24该边坡由开始开始Fs=0.94，经过先后开挖、，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FLAC3D的强度折减法边坡稳定性分析原理2.1.1 FLAC3D软件特点FLAC是一种用于工程力学计算的二维显式有限差

15、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

16、逐步减小抗剪强度指标，将C，值同时除以折减系数Fs，得到一组新的强度指标Ci、i，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，

17、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

18、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，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

19、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，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8.341e-3m/s。(3)从速

20、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