杨春峰, 王 合,2, 肖 辉

(1. 沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044; 2. 中建二局第二建筑工程有限公司, 广东 深圳 518000)

目前,计算机技术已广泛应用于地质工程研究中,其不但可以快速、精确地解决复杂烦琐的数值计算问题,而且可以直观地模拟分析岩体内部的应力-应变关系及岩体的变形、位移等特征.FLAC3D软件作为应用最为广泛的数值分析软件之一,在研究分析材料非线性、大变形、塑性分析等领域有其独特的优势.大量研究表明[1-5],数值分析软件FLAC3D在岩土工程地质灾害分析中有较高的适用性和可信度.

本文以老鹰岩斜坡上部独立危岩体为研究对象, 采用FLAC3D软件对危岩体进行模拟, 模拟分析危岩体在不同条件下的破坏过程、位移变形、应力状态等特征, 采用强度折减法计算危岩体在不同工况下的安全系数,并与传递系数法计算得到的安全系数进行对比分析, 为正确判断危岩体的稳定性及选择合理的治理措施提供依据[6-8].

1 工程概况

老鹰岩位于四川省甘孜州康定市姑咱镇浸水村大渡河右岸, 老鹰岩斜坡上岩体裂隙发育, 完整性差. 通过对老鹰岩地质资料的收集和野外勘查可知, 老鹰岩处于地震多发地带,地震烈度为9度, 地震作用不仅使老鹰岩发生崩塌落石, 而且使多处岩体发生剧烈的变形, 产生构造裂隙, 再加上降雨、削坡、坡脚修建道路等促进了岩体新老裂隙的产生和发展, 形成了大量的危岩体.据调查可知, 老鹰岩危岩体多次发生崩塌落石, 且多发生在大量降雨之后, 严重影响当地居民的生活、生命安全及坡脚省道S211上来往车辆的安全.

老鹰岩斜坡上共发育有3处危岩带、1处独立危岩体和3处崩塌堆积体.本文以独立危岩体为研究对象,危岩体高6.8 m,宽4.2 m,厚2.1 m,危岩体后缘发育有卸荷裂隙,裂隙的形成和发育是由地震、降雨等多种因素共同作用的结果,裂隙顶部张开20 cm,深度4.2 m,裂隙内主要以泥土填充, 危岩体稳定性主要受该后缘裂隙控制.独立危岩体岩性为元古界第4期花岗岩.由室内土工实验测得危岩体的地质参数见表1[9],独立危岩体立面图、剖面图见图1、图2.

表1 危岩体地质参数

图1 独立危岩体立面图Fig.1 Elevation of independent dangerous rock mass

图2 独立危岩体剖面图Fig.2 Profile of independent dangerous rock mass

2 数值模拟及结果分析

2.1 FLAC3D模型建立

根据危岩体的工程地质立面图、剖面图(见图1、图2),采用FLAC3D5.0的Extrusion建模,如图3所示.

图3 Extrusion建模Fig.3 Extrusion modeling

本构模型采用FLAC3D5.0内嵌的常用于模拟分析岩土体的Mohr-Coulomb塑性模型.危岩体模型图如图4所示.

图4危岩体模型图
Fig.4Model diagram of dangerous rock mass

危岩体模型以危岩体所在的斜坡水平方向为X轴,长约10 m,高度方向为Z轴,高约12 m,宽度方向为Y轴,厚约2 m,共4 920个节点,3 600个单元组成.模拟计算过程中,静力边界条件的设置采用固定边界条件的方式,设置计算模型的位移边界为固定X轴2个方向(X=0 m、X=10 m)的位移,Y轴2个方向(Y=0 m、Y=2 m)的位移,以及约束模型底边方向(Z=0 m)的位移,不约束危岩体上部的位移.

2.2 模拟结果和分析

(1) 天然工况下模拟结果和分析.在天然工况下,只考虑危岩体自重产生的应力作用,危岩体地质参数采用天然工况下的取值,采用强度折减法计算安全系数.危岩体天然工况下参数取值见表2,模拟结果见图5～图10.

表2 天然工况下危岩体参数取值表

图5 危岩体模型天然工况下Z方向变形图

图6 危岩体模型天然工况下X方向变形图

图7 危岩体模型天然工况下最大切应力图

图8 危岩体模型天然工况下最大主应力图

图9危岩体模型天然工况下最大切应力增量图

Fig.9Maximum shear stress increment diagram of a dangerous rock mass model under natural conditions

由图5、图6可得出危岩体模型天然工况下的安全系数为1.91,与传递系数法计算得出的危岩体在天然工况下的安全系数为1.95相比,两者相差不大.

图10危岩体模型天然工况下变形速度图

Fig.10Deformation velocity diagram of dangerous rock mass under natural conditions

在危岩体模型处于极限平衡状态下,由图5可以得到Z方向变形的最大值为8.36 cm;由图6可以得到X方向变形的最大值为30 cm,最大变形都位于上部花岗岩右半部分临空面1/3处,类似重力挡墙最大受力位置.

由图7、图8可以得到最大切应力与最大主应力与正常岩石分布基本一致,主要是由岩体自重产生的应力.

由图9、图10可以得到危岩体在天然条件下最大切应力增量最大值与变形速度最大值的位置吻合. 因此, 危岩体的模拟与实际情况比较符合, 所以该模型的建模和参数取值都在合理范围内.

在天然条件下,该独立危岩体不会发生崩塌产生落石,但在自然风化、植物劈裂等作用下,花岗岩强度不断降低,有可能在若干年之后发生破坏.因此,在实际工程中,可以对裂隙进行注浆处理,保证该裂隙面的稳定和安全.

(2) 暴雨工况下模拟结果及分析.在暴雨条件下,考虑雨水对危岩体的影响及危岩体后缘裂隙中水压力作用,采用花岗岩饱和状态下进行模拟,边界条件与之前一致,均采用固定边界条件进行约束,危岩体暴雨工况下参数取值如表3所示,模拟结果见图11～图16.

表3 危岩体暴雨工况下参数取值表

由图11、图12得出危岩体的安全系数为1.11, 传递系数法计算得出的危岩体在暴雨工况下的安全系数为1.11, 可以看出在暴雨工况下, 危岩体的安全系数明显降低, 但仍处于相对稳定的状态.

图11 危岩体模型暴雨工况下Z方向变形图

图12 危岩体模型暴雨工况下X方向变形图

图13 危岩体模型暴雨工况下最大切应力图

图14 危岩体模型暴雨工况下最大主应力图

图15 危岩体模型暴雨工况下最大切应力增量图

图16危岩体模型暴雨工况下变形速度图

Fig.16Deformation velocity graph of dangerous rock mass model under rainstorm condition

由图11可以得出危岩体在暴雨工况下Z方向变形的最大值为10.09 cm,比天然工况下的变形稍大;由图12可以得出危岩体在暴雨工况下X方向的最大变形为37.8 cm,比天然工况下的变形大,但最大值的位置吻合.暴雨工况与天然工况下危岩体的变形、应力状态相比,可以看出相对应的位移、最大应力等均有一定程度的变化,但无论是位移还是最大切应力增量等的变化趋势和影响范围都基本一致.

2.3 安全系数的对比分析

通过模拟得出的安全系数与传递系数法计算的安全系数比较结果如表4所示.

表4 危岩体安全系数对比表

通过与传递系数法计算出的结果对比分析发现,模拟出来的安全系数与计算结果相比偏小,一方面是由于FLAC3D软件本身偏保守,计算出来的结果偏小;另一方面是一些参数是通过经验取值,所得结果和实际有相应偏差.

总体来说模拟得出变化的趋势和计算结果一致,危岩体在天然工况和暴雨工况下都基本稳定.

3 结 论

(1) 利用有限差分数值软件FLAC3D对危岩体进行模拟,通过建立模型、参数赋值,模拟分析了危岩体在天然和暴雨2种工况下的变形、应力状态等特征.模拟结果与实际情况相符,说明模型的建立和参数取值是合理的.

(2) 通过数值软件FLAC3D模拟的结果与传递系数法计算得出的结果相对比,发现模拟结果比计算结果偏小,但总体变化趋势一致,且暴雨工况下危岩体的安全系数明显降低.