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1、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P=2500kgn弹性模量E=IXlo8Pa,泊松比U=O.3,抗拉强度。t=08X1。6Pa,内聚力C=42X104pa,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：1kN/m3=100kgm3FF剪切弹性模量：G=；体积弹性模量：K=-2（1+）3（1-2/）100图2倾角为45的边坡（单位：m）图1倾角为30的边坡（单
2、位：m）S100图3倾角为60的边坡（单位：m）实例分析：D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genzonebrickp000pl10000p2020p30040&size50110genzonebrick&p40040pl100040p2p4100240p574.64260size30110fixzrangez-010.1fixxrangex-0.10.1fixxrangex99.9100.1fixyrangey-0.10.1fixyrangey1.92.1；生成下面的矩形，沿X、y、Z三房向分为50,1,10分40240p374.64060&p6100060
3、p7100260&；生成上面的梯形，沿x、y、Z三房向分为30,1,10分；固定模型底面;固定模型左面;固定模型右面;固定模型前面;固定模型后面律图4网格剖分图图5速度矢量图LAC3n3.0()函25沏3PW* 2217:17SjeMB2JBFIAC3D3.00Stapaxi gpWCKe ZZMeSWJstFRBCrtr:BttX:53001XOoOOYJCCganriomZ3CC2OCCOM 20函附：1 闻:22 SOSurfMVNRQQtXXMmCwAMirrfVAcNIQCaCZO灿 &oocg功 5cccc6to mmC7 LCCCteWto isnx7 15000710 2M40
4、n7I4CCCQCC7tD 45000 007 4500&WID 4XO7HoM SOoCCeCWrAX*)t5(ccnJCOCCOYixcc4coV： o七 aag 277MXCMl；: 1g 22500SllflCC2aoo ConiMMof Dtlcent Xhg. waoo 0 COOCv-OOC to SOOXo OCC saxo?iooax- 二！ coos jo saozc!,5GgOlX)ZOQg%2 COOOeWI to 2SXtbO2KOGfrO)1 D 3KMC- 3 OOOHBI 2 h*i 3gR7C舅3Q七4AY:OXS0H!ZCOMU.1a”=SeAccVkcfy
5、Vt*rnGMC4ZtfQ图12网格剖分图图13速度矢量图FLAC3D3.0054*TO “冰;TPM :，AyUfc*wj,3Ccxe2ICttOX2S02 V 与IAf EjoCStrfke2位，O 3XCCcclau ctf Veloh Mas vr ；OQOrXCI。XdoC ! H0K8 XO7CeR 8CA5G ,次ZC4 SOClM 4 上 ooX4 :皿X 25MoAB 250ttMMV 30M*K4 3o0ooc2 3eX4 35toox Qc0u 4Xtt*3 4 5CtCXJ 45*i moox4 Bjoocchoix ex024Sdam侬X 必CZC4 60OroXW无
6、 62XMC4*W* t05FIAC3D3.OOsw*,jM%W3V“砂川5,M的砍8CcrtenDlZOOXCWZ门3251K22500SurftceU御：Jlw0MChmxirZDi曲2tKfaSUir:；0M)Bocc0o)i(DiMlggf2。XG口2(WOXdOAXGj3C(Utefc4J)0114aato5j-xiBC(OteBI力5j-XI6CCOk)1k:7jOOcOI“WftOOiDDWXrt19ag0)通10)必8)1叫。U1gY8IrtyW*RtN3K4g*001X：OCOOY1000*0Q1Z00M2W0C49：1Anj22500SvtxcMbc00Q0W0图16边坡开
7、挖后结果图17边坡开挖后的速度矢量图18MIlF4222013X4seoooXcococzy.o.ocoz3ooIoweCW2W0Wt722UUXplanenMig0xz2WD50X80012ow2.5c*o250004013CW1300001tt3KOOMCI35o-4.caH)o二4804WIB4*0*814WOOC1W4M3OM加闺：50c3FLC3D3.00FLC3D3.00加6a4U50Ptnsptott41Fn22XJBCifWTRMHOAX49tt*OO1X0003tooooYo.cZ38MK12.00M?WtMXOS1Z2200Mrtic00*000Comouro(VkihM取
8、XOWOrHXOOcoeCe*0BIMOOrOOTcoHnoZooxw704ntoooOOt，)C0C0t3Tto4rOQ74Qocoto5ooz5C0W060QKC,600004AT9700Oot40,47COCOHW7tolOWOtCOOOtXMTto1161JOy。心07图18开挖后的位移等值云图图19开挖后的速度等值云图FLAC3D3.00Step19020ModelPerspective17:03:38FnNov222013CenterRotabon:X:4960e*001X:0.000Y1.000e*000Y:0.000Z:3000e*001Z:0.000Dist2797002Ma
9、g.:1Ang.22.500SurfaceMagfac0.000e000FoSFoSvaIuets:1.24ContourofDispIacementMag.Magfac0.000e000iO.OOOOeOOOto5.000OeQOI5.0000e001to1.0000e*0001.0000e+000to1.50Ooe种0015000e000to2.0000e*000L2.0000e000to25000e02.5000e000to3.0000e00030000e000to3.5000e+0003.500OemoOtO4.0000e00040000e000to45000e+0004.5000e0
10、00to4.6493eOInterval5.0e-001HascaConsultingGroup,Inc.Minneapolis.MNUSA图20开挖后的位移图最终计算边坡的稳定性系数为：Fs=1.24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般性流动的材料所建造的结构的特性。材料通过单元和区域
11、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,值同时除以折减系数Fs,得到一组新的强度指标G、i,然后进行有限差分或有限元分析，反
12、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
13、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
14、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F=I(1)该边坡体X方向取l()()m,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-3ms(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
15、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IOom,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-3ms.(3)从速度等直线图可以
16、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性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关外，还与网格的抛分和边界约束也有一定的关系。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。
