FLAC3D在平庄西露天矿边坡应力、位移分析中的应用
FLAC3D在路基边坡稳定性分析中的应用
FLAC3D在路基边坡稳定性分析中的应用【摘要】Flac3D是岩土工程中广泛应用的软件,本文介绍了其基本原理和特点,如有限差分网格和有限差分方程的建立等,并应用Mohr-Coulomb本构模型对路基边坡进行了数值稳定性分析。
依据边坡位移变形和塑性区域的贯通情况对边坡稳定性进行了分析。
【关键词】Flac3D;边坡;稳定性分析;数值模拟1 FLAC3D的基本原理1.1拉格朗日法FLAC软件是美国Itasca咨询集团公司开发的专业岩土工程分析软件,其基本原理即是拉格朗日差分法。
利用节点位移连续的条件,对连续介质进行非线性大变形分析,可以模拟地应力场生成,边坡或地下工程的开挖、锚杆(锚索)设置、地下渗流等。
拉格朗日法源于流体力学,研究流体质点在任一时段内的运动轨迹、速度、压力等特征。
将其移植到固体力学中,把所研究的区域划分成网格,其结点相当于流体质点,然后按时步用拉格朗日法来研究网格结点的运动。
FLAC3D与有限元法相比,具有以下优点:(l)采用显式解析法不需要建立刚性矩阵,节省内存,提高了运算速度。
(2)采用离散法,正确地模拟了塑性破坏及塑性流动。
(3)能跟踪模型中任一点的历史,方便看出该点的应力、位移历程曲线。
1.2使用步骤(1)建立模型,产生网格,确定材料性质和边界条件。
(2)运行程序,建立原始平衡。
(3)根据实际工程情况改变模型的相关条件,重新运行程序达到新的平衡或出现某种形式的变形与破坏。
2 工程概况某一级公路路基设计宽度为30.0m,边坡设计坡度为1:1,路基土体分两层,基层为中硬粘土,层厚为30m;填筑中细砂土,并经压实,层厚25m,路基底部宽90m,模型见图l。
经室内土工试验测定,各土层的物理力学性质见表1。
其中体积模量K 和剪切模量G分别按式(1)、(2)计算:3 数值计算模型3.1数值建模根据实际工程情况和地层分布,数值分析模型在FLAC3D环境下完成。
为减少计算时间,取路基宽度的1/2进行建模。
FLAC~3D在露天矿边坡稳定性分析中的应用
科技资讯科技资讯S I N &T NOLOGY I NFO RM TI ON 2008NO .15SC I EN CE &TECH NO LOG Y I N FOR M A TI O N 信息技术1FL A C 3D 程序[1]FL A C(Fas t L a gr angi a n A nal ys i s ofC ont i nua),即连续介质快速拉格朗日分析。
它是基于拉格朗日差分法的一种显式有限差分程序。
是由美国I t a s ca Cons ul t i ngG r oup I nc.开发的商业软件。
FLAC 3D 比其他有限元法有以下优点：一是采用显式解析法,不需要建立刚度矩阵,节省内存,提高了运算速度；二是采用混合离散法,正确地模拟了塑性破坏及塑性流动；三是采用动态方程求解,克服了系统模型内的不安定因素。
FLAC 3D 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。
FL AC 3D 内部含有多个力学模型：一个“空”模型(用于几模拟开挖等)、二个弹性模型(各向同性、横观各向同性、各向异性弹性材料)、六个塑性模型(按不同的破坏准则模拟弹塑性材料。
强度折减法由Dunca n 提出的[2],认为边坡的稳定安全系数可以定义为使边坡刚好达到临界破坏状态时,对土的剪切强度进行折减的程度,即定义稳定安全系数为土的实际抗剪强度与临界破坏时折减后的剪切强度的比值。
强度折减法的要点是利用公式和调整土体的强度指标,其中为折减系数,然后对土坡进行数值分析,通过不断地增加折减系数式,反复分析土坡,直至其达到临界破坏,此时得到的折减系数即为稳定安全系数。
强度折减法的优点是安全系数直接求出,不需要事先假设滑裂面的形式和位置,另外可以考虑土坡渐进破坏过程和变形对稳定的影响。
2工程概况某金矿采用露天方式开采,矿区采场坑口地势较为平坦,标高为＋3m ,上口尺寸为1100m ×390m ,分东西两个东部采场的最终坑底标高东坑为-170m ,最终边坡的最大高度为173m ,总体边坡角47°,基岩边坡的总体边坡角为50°。
基于FLAC_3D_软件的露天矿边坡稳定性分析与研究
图 3 模型 20 竖直方向应力图
图 4 模型 20 水平方向应力图
图 2 模型 20 的最大不平衡力收敛曲线
［2］陈高峰，卢应发.边坡稳定性影响因素组成成分分析［J］. 金属矿山，2008.
［3］王浩.边坡稳定性影响因素及评价方法［J］.黑龙江交通 科技，2011.
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矿技术，2011. ［9］E vert Hoek John Bray. Rock Slope Engineering. London:
Traps.Institution of Mining and Metallurgy，1981. ［10］Dawson E M ，Roth W H ，Drescher A.Slope sTability
采矿工程
露天采矿技术 20天矿边坡稳定性分析与研究
白润才，王志鹏，王喜贤
（辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁 阜新 123000）
摘 要：采用 FLAC3D 对露天矿边坡稳定性的数值模拟，阐明了边坡岩体应力场的演变规律，揭示了研究
区非工作帮边坡的滑坡机理，确定了滑坡模式。结果表明，滑坡模式为沿“圆弧滑面”滑动。基于 FLAC3D 的强
由位移图来看，非工作帮的边坡滑移主要在边坡 （下转第 5 页）
FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用
FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用赵忠海【摘要】Taking the Gaozhi Village landslide as an example, this paper discussed the application of FLAC3D in landslide stability analysis and evaluation. The author ifrst introduced the basic principle and main process of FLAC3D, and then simulated the Gaozhi Village landslide stability under natural state and heavy rain state by Mohr-Coulomb of FLAC3D. The simulation result intuitively showed the distribution characteristics of plastic deformation and horizontal displacement of the slope in the above two conditions, and clearly showed the potential sliding surface inside the slope. According to the result of numerical simulation, the article analyzed and evaluated the landslide stability, studied and discussed the deformation and failure forms of the landslide. By analyzing the plastic deformation and displacement of slope, the author considered that the landslide is basically stable under the natural state and is unstable and likely to slide and lose its stability in the local area under the continuous high intensity rainfall state. This is consistent with the investigation and analysis. This result shows it is feasible and more simple and more intuitive and convenient to analyze and evaluate the stability of landslide by FLAC3D. Compared with the traditional limit equilibrium method, FLAC3D has the incomparable advantage.%本文以高治村滑坡为例，论述了FLAC3D在滑坡稳定性分析评价中的应用。
FLAC_3D_在边坡稳定性分析中的应用_魏继红
FLAC 3D 在边坡稳定性分析中的应用魏继红 吴继敏 孙少锐(河海大学土木工程学院 南京市 210098)提要 采用FLAC 3D 研究某边坡的大变形破坏,模拟了边坡天然情况下的应力状态,分析了边坡分步开挖对边坡稳定性的影响,然后根据计算的结果对边坡采取了一定的加固措施,对加固后的边坡应力、应变状态进行分析,得出边坡基本处于稳定状态,分析表明,FLAC 3D 在解决边坡的大变形模拟方面的优势是有限元无法比拟的。
关键词 大变形分析 边坡 有限元 稳定性Application of FLAC 3D in Stability Analysis of SlopeWei Jihong Wu Jimin Sun Shaorui (College of Civil Engineering ,Hohai University )A bstract Some slope is studied by use of the program FLAC 3D .The stress state for the initial slope is simu -lated .The effect of step excavation to the slope is analyzed .Acc ording to the result ,some measures are taken toimprove the stability of slope .After that ,the stress and the strain of reinforced slope is analyzed .The result shows the slope is stability .By contrast to the finite element method ,it is good to solve the lar ge scale deforma -tion of the slope for the program FLAC 3D .Keywords large scale defor mation analysis ;slope ;finite element method ;stability作者简介:魏继红,女,1976年生,博士研究生,主要从事岩质边坡及地下洞室稳定性方面的研究。
FLAC3D在露天矿边坡稳定性分析中的应用
裂。 由航测 资料 推断 ， 该 断裂延长 ２ ０ ｋ ｍ， 在矿 区内 推断最大落差为 ３ ０ ０ ｍ。由于断层位于矿 田边界 ， 其 断裂 破 碎 带对 边 坡 稳定 性 有 一定 影 响 。
ｓ ｉ ｍｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｒ ｅ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ， ｔ ｈ ｅ ｎ ｇ ｏ ｔ ｈｅ ｔ ｓ ｌ ｏ ｐ ｅ ｓ ａ ｆ ｅ ｔ ｙ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｏ ｆ ｅ ｎ ｄ ｓ ｌ ｏ ｐ ｅ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｘ ｈ ｔ ｙ ｅ ａ ｒ ａ ｆ ｔ ｅ ｒ ｐ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ， ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ ｅ ｃ ｉ ｓ ｉ ｏ ｎ ｓ ｕ ｐ ｐ ｏ ｔ ｒ ｏｒ ｆ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｍｅ ｎ ｔ ｔ ｒ ｅ ｎ ｄ ｏ ｆ ｓ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｌ ｏ ｅ． ｐ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ Ｏ ｉ ｌ ｔ ｈ ｅ ｓ ｕ ｒ ｖ ｅ ｙ ｏ ｆ ａ ｎ ｏ ｐ ｅ ｎ ｃ ｓｔ ａ ｍｉ ｎ ｅ ， ｗｉ ｔ ｈ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｎ ｓ ｏ ｌ ｉ ｄ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｒ ｅ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｄ ａ ｔ ａ ， Ｆ Ｌ ＡＣ ３ Ｄ ｈ ａ ｓ ｂ ｅ ｅ ｎ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｉ ｓ ｐ ａ ｐ ｅ ｒ
FLAC3D在边坡稳定分析中的应用
其 中 cc = Kc, Uc =
arctan
tanU 。 K
通过逐步调整系数, 得到不同的 cc、Uc, 代
入 FLAC3D反复迭代计算, 直至坡体达到临界状
态, 坡体达到临界状态的 K 值即为边坡 安全系 数 [ 3] 。在莫尔 ) 库伦屈 服准则下 解得不收 敛作
为破坏标准。
212 屈服准则
) 41 )
312 模拟结果分析 1) 通过最后的计算结果可知, 此边坡的安
全系数是 1135 (图 2), 是偏于安全的。 2) 从图 3可知, 在自重应力的作用下, 边
坡底部产生的应力最大。图 4是主应力分布的等 值线图。可以看出, 主应力近似与坡面平行, 且 随着深度的增加, 主应力越来越大。
3) 从图 5看出, 在自重应力的作用下, 边
App lica tion of FLAC 3D in Stab ility Ana lysis of Slop e
W ang Xue- zh,i Zha i Cheng, Bi Zhong, Zhu Chao- yan
Abstr act: W hen lim it equ ilibr ium m ethod was used to analyze the stab ility of slope, the deform ation prob lem of slope analysis cou ld not be resolved. The strength reduct ion method in the FLAC3D was used to numerica l simulate a soil slope. By the numerical simu lating, the safety factorof slope, variab le law of soil. s stress field and d isplacement field were gotten, and then position of the maximum displacement was reached. It was indica ted that FLAC3D has some advantage on the stab ility ana lysis of slope. K ey w ord s: FLAC3D; strength reduction m ethod; sa fety factor; stability analysis of slope
FLAC3D在平庄西露天矿陡帮边坡稳定性分析中的应用
用拖带坐标系分析大变形问题 的数值方法 ，并利用 差分 格式 按 时步 积 分求解 。 随着 构形 的 不断 变化 ， 不
断更 新坐 标 ， 允许 介 质有较 大 的变 形 。 型经 过 网格 模 划分 ， 理 网格 映射 成数 学 网格 ， 物 数学 网格 上 的某 个 结 点 就与 物 理 网格上 相应 的结 点坐 标 相对 应 。对 于 某 一个 结 点 而言 ，在 每一 时刻 它受 到来 自其 周 围 区
３ 工 程 实例
３ １ 工程 概 况 ．
算、 设计 。 限平衡 分 析法 不能 解决 分析 边 坡应 力 和 极
应 变 的问题 。 后来 出现 了有 限元 分析 边坡 的稳定 性 。
有 限元 在解 决小 变形 方 面有其 优越 性 ，但通 常 的边
坡破 坏 为大 变形 问题 ，有 限元 在解 决 大 变形 方 面不 十分 方便 。因此 本 文采 用 Ｆ Ａ ３ Ｌ Ｃ Ｄ来 分析 边 坡 的大 变形 问题 。当然参 数 也是 决定 边坡 稳 定性 分 析结 果
分 析 方法 有很 多种 ， 常规 的是 极 限平衡 分 析法 ， 最 其
特 点是 方便 快 捷 ，很 多工程单 位 都采 用 该 方法 来 计
度 和位 移 的增 量 。 于每一 个 区域 而 言 ， 以根 据其 对 可 周 围结 点 的运 动速 度求 得 它 的应 变率 ，然后 根 据材
料 的本 构关 系求 得 应力 的增 量 。
抗 风化 力较 强 ， 煤 田 内形 成北 东 向 山丘 。 在
根 据 “ ３ ” 案 设 计 ， 庄 西 露 天矿 于 ２ １ ６２ 方 平 ０ ２年
开 发 的二 维显 式有 限差 分法 程序 ，它可 以模 拟 岩 土
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臣田 重
露 采 技 ２８增 天 矿 术 ｏ年 刊 ｏ
・５ ３・
ＦＡ ３ Ｌ Ｃ Ｄ在 平庄西 露天 矿边 坡应 力、 移 分析 中的应 用 位
肖 石 ， 李三川 姚 ， 勇
（． １ 平庄煤 业集 团有 限责任 公 司， 内蒙古 赤峰 ０４０ ；２辽宁工程技 术 大学资源与 环境工程 学 院，辽 宁 阜新 １３０ ） ２１０ ． ９ ２００
（Ｌ ｃ Ｄ）可 以创建 交叉 内部 区域 ； ＦＡ ３ ， （２ ｎＡｃ Ｄ拥 有 部 分 图形 用户 界 面 （ 来 进 １） ３ 用 行 绘 图和 文件操 作 ） ；
治 和滑坡 预测 提供 一定 的依 据 ［ ２ １ 。
２ ＦＡ ３ Ｌ Ｃ Ｄ在 平 庄西 露 天 边 坡应 力 、 移 分 析 中 的 位
建 立模 拟 模 型如 图 １ 示 。边 坡走 向 向北 为 所 正向 ， 边坡 倾 向为 ｚ 向 ， 直 向上 为 Ｙ轴正 向。图 正 垂 ２至 图 ７为 岩体位 移 、 力 三维 云 图 。分 析走 向 方 应
向位 移三 维云 图 ， 可知 八 字滑 坡 区 内位移 明 显大 ， 且
（） １连续 介质 非线 性 ， 应变 模拟 ； 大
解；
平庄 西 露天 矿 自 １５ 破 土建 矿 以来 ， 次 年 ９８年 于 ４月产 生 了第 一次 滑坡 。 止 目前 ， 截 工作 帮共 发 生 滑 坡３ ３次 ， 累计 滑 落 量超 过 ４０万 ｍ３严 重 威 胁矿 山 ０ ， 设备 及人 身 的安全 ， 限制 了矿 山 生产规 模 ， 因此建 立
月轴线 边坡 沿辉 绿 岩顶 板 出现 底鼓 ， ３ ０ 在 ４ ０剖 面 锚
索 应力监 测 孔 ｍ３— 锚 索发 生 拉断 。 移 监测说 明 ｊ４ １ 位 岩 体在移 动 ， 应力 监 测说 明锚 索 受 力增 加 ，０７年 ９ ２０ 月 １ ５日 Ｖ字 裂 缝发 生 滑 坡 。边 坡 滑 落 直 接影 响西
（） ５ 内置编 程语 言 （ Ｈ） 加用 户 自定 义特 征 ； ｎＳ 添
（）Ｌ Ｃ ６ Ｆ Ａ ∞通过 Ｔ ＰＩ 接与其 他程序 进行耦 Ｃ／ Ｐ链
测系统， 有效地监控 了边坡岩体移动和滑坡灾害的预
测【 Ｉ １ 。监测 结 果表 明 ， 工作 帮 岩体 向采 空 区移 动 和下
沉， 凸形 边 坡 位 移 明 显 ， 由 Ｖ字 裂缝 贯通 为 口 裂 并
关 键词 ： 滑坡 ； Ｌ Ｃ Ｄ； 坡监 测 ＦＡ ３ 边
中图分类号 ： Ｄ ８ ４７３ Ｔ ２ ．＋
文献标识 码 ： Ｂ
文章编 号： ６ １— ９ １ ２ ０ ）增 刊 一０ ３ １７ ８ ６（ ０ ８ ０ ５— ０ ２
１ 前
言
（） ２ 显式 解决 方 案 ， 为不 稳定 物 理 过程 提供 稳定
露天 矿今 后 的发 展 。本 文 主要 研究 Ｆ Ａ ３ Ｌ Ｃ Ｄ在平 庄 西露 天矿 边坡 应力 、 移 分析 中的应用 ， 位 为边 坡 的 防
（０模 拟 结构 单元 ， １） 如隧 道衬 砌 、 、 桩 锚索 、 杆 锚 或地 质格 栅与 周 围岩 土介 质 的相互 作 用 ；
（ １ 使 用 预 定 义 形 状 自 动 生 成 三 维 网 格 １）
边坡 监测 系统 是 十分 必要 ห้องสมุดไป่ตู้ 。平 庄 西露 天矿 在 ２ ０ ０５ 年就 开始建 立 工作 帮地 表位 移 、地 下位 移 和 应力 监
（ ） 面 或 滑 动 面用 来 模 拟 可 产 生 滑 动或 分 离 ３界
的界 面 ， 从而模 拟 断层 ， 节理 或摩 擦边 界 ； （） ４ 内置材 料模 型 ；
摘
要： 对平庄西露天矿 工作帮经常发生滑坡 ， 针 严重威胁着矿 山设备及人 身安全 ， 用 Ｆ Ａ ３ 应 Ｌ Ｃ Ｄ进行
边坡 应 力、 移 分析 ， 究工 作帮 边坡 岩体 变形 、 位 研 移动 规律 、 坏 区域 、 破 滑移 面和 滑坡 机 理 ， 边坡 监 测方 案 的 为
制 定提 供 必要 的依 据 ， 实际生产 有 着重要 的指 导意 义 。 对
收 稿 日期 ：０ ８ ０ — ３ ２０ — ６ ０
大部 分 向北移 动 ， 北侧 上 部岩 体 向南移 动 ， 下部 部分
作者简 介 ： 石（ ９ ２ ， ， 肖 １ ６ 一） 男 高级 工程 师 。 读硕 士 在
岩体沿 Ａ弱层 向南移动 ， 南侧下部岩体沿 Ａ弱层 向 南移动 ； 分析倾 向ｚ 方向位移三维云图， 可知岩体沿 辉绿 岩顶 板 向采 空 区移 动 ， 自上 而下位 移增 大 ， 八字
研究 生，９７ 毕业 于阜新矿 业 学院煤 田地 质 专业 。现任 １８ 年
平 庄 煤 业 集 团公 司总 工 办 主任 工程 师 。
应 用 ２１ ｎＡＣ Ｄ的 简介 ． ３
（３ 大量绘图特征一等值线 、 １） 矢量和张量等 ； （４ 工 业 标 准 格 式 图 形 输 出 （ 括 Ｐｓ ｃｉｔ １） 包 ｏｔ ｒ 、 Ｓ ｐ
Ｂ 、Ｐ Ｐ Ｘ（ ｕｏ Ａ 、 ＭＦ等 ）并 且 可 以用 剪 ＭＰＪＧ、Ｃ Ａ ｔＣ Ｄ）Ｅ ，
切 板进 行 图形 剪 切 和粘 贴 。
２２ 模 拟 分析 结果 ．
ＦＡ ３ Ｌ Ｃ Ｄ是 美 国 ＩＳ Ａ 国 际咨 询 与软 件 开 发 公 ＴＣ
司在 Ｆ Ａ Ｌ Ｃ基础上开发 的三维数值分析软件 。它是 岩土体 工程 高级 连续 介 质力 学 分析程 序 。其 基 本 特
征为 ：
合 计算 ；
（） ７ 边界／ 初始 条 件设 置 方便 ；
（） ８根据 地 下水 位进 行有 效 应力 计算 ；
（ ） 行 流 固耦合 计 算 （ 括 负 孔 隙水 压 、 饱 ９进 包 非 和流动 和浸 润面 条件 ） ；
缝 、 区边 坡次 之 、 南 直线 边坡 位 移最 小 。在 ２０ ０７年 ８