FLAC3D强度折减法在排土场边坡稳定性分析中的应用_郝全明

采矿工程

露天采矿技术

2013年第7期

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FLAC3D强度折减法在排土场边坡稳定性分析中的应用

郝全明，李

帅，高国强，刘

斌

（内蒙古科技大学矿业工程学院，内蒙古包头014010）

摘要：将FLAC3D软件和强度折减法相结合，应用于露天矿排土场边坡的稳定性分析，采用位移突变

判据和塑性区贯通判据来判断边坡是否发生失稳破坏，最后求出边坡的稳定性系数。用FLAC3D强度折减法计算边坡稳定系数比直接输入solve命令求解时速度快、更直观、更方便。

关键词：FLAC3D；强度折减法；稳定系数中图分类号：文献标识码：TD824.7BFLAC3D是由美国Itasca公司开发的一个三维有限差分程序，其原理是采用快速拉格朗日有限差分法。目前，FLAC3D软件已广泛应用于边坡稳定性评价、拱坝稳定分析、地下矿床开采、隧道工程、支护设计等多个领域[1]。在计算边坡稳定性系数时，直接在FLAC3D软件中输入solve命令求解的方法，计算速度慢，所需要的运算时间长，不够直观。本文则另辟他径，采用将FLAC3D软件和强度折减理论相结合的方法来求解边坡稳定性系数。1

FLAC3D软件简介

FLAC3D包含11种材料本构模型，分别是空单元模型、3种弹性模型（正交各向异性、各向同性、横向各向同性）、7种塑性模型（应变硬化/软化模型、摩尔-库仑模型、双线性应变硬化/软化多节理模型、Druker-Prager模型、D-Y模型、修正的剑桥模型、多节理模型）。FLAC程序采用快速拉格朗日方法,它基于显示差分法求解运动方程和动力方程,将计算区域划分为若干个单元。FLAC3D具有功能强大的自动三维网格生成器，内部定义了多种基本的单元形状，在生成比较复杂的三维网格时，可以利用FISH语言来自定义单元形状，然后组合这些基本单元即可[2]。2

强度折减法的原理

在采用强度折减理论分析边坡的稳定性时，不需要对滑动面的位置和形状做假定，强度折减法的

收稿日期：2013-02-03

作者简介：郝全明（1957－），男，内蒙古包头人，教授、硕士研究生导师，现从事矿业系统工程、露天矿开采技术等方面的教学及科研工作。

文章编号：）07－0013－031671－9816（2013原理是首先将边坡强度参数粘聚力c和内摩擦角φ同时除以折减系数F，得到一组新的c和φ值，然后将新的c和φ值作为一组新的材料参数输入计算，不断增加F的值，直到边坡达到极限状态，发生失稳破坏，这时所对应的F的值即为边坡的稳定性系数。用公式表示如下：

tanφ′=（tanφ）F

c′=c/F

式中：F为折减系数；c、φ分别为岩土边坡最初的粘聚力和内摩擦角；c′、φ′分别为经过折减后的粘聚力和内摩擦角[3]。3

边坡发生失稳破坏的判据

本文采用的强度折减法判断边坡是否失稳破坏的依据主要有：

1）位移突变判据。由理想弹塑性材料构成的边坡进入极限状态时，必然是其中一部分岩土材料相对于另一部分发生无限制的滑移。随着折减系数的变化，边坡结点的位移也会发生变化，并且位移存在突变现象，如果边坡结点的位移发生突变，则说明边坡发生失稳破坏。

2）塑性区贯通判据。边坡失稳破坏可以看成是塑性区逐渐发展、扩大直至贯通而进入完全塑流状态，无法继续承受荷载的过程。该判据认为随着折减系数的增大，坡体内部分区域将产生不同程度的塑性变形，如果发生塑性变形的区域相互贯通，则说明边坡发生失稳破坏[4]。4

排土场边坡稳定性系数求解实例

某露天矿排土场的边坡模型如图1所示。3个台阶的岩土层由上到下分别为：强风化层、弱风化层

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和微风化层。模型断面宽度为213m，高度为128m，3个台阶的高度由上到下分别为20m，20m，24m，基底岩土层厚度为64m，材料本构模型为摩尔-库仑模型，边坡面为自由边界，其余为固定边界。

该排土场的岩土体的物理力学指标如表1所示。

从图2中可以看出，当折减系数为1.0时，边坡结点最大位移为2.2cm；当折减系数为1.8时，边坡结点最大位移为2.3cm；当折减系数为1.9时，边坡结点最大位移为2.4cm；当折减系数为2.0时，边坡结点最大位移为2.5cm；当折减系数为2.1时，边坡结点最大位移为3.0cm；当折减系数为2.2时，边坡结点最大位移为28.0cm，边坡结点的最大位移与折减系数的关系可以用图4来表示。5

结果分析

从图3中可以看出，当折减系数刚开始逐渐增加时，边坡体内部分区域产生塑性变形，当折减系数增加到2.2时，边坡体上部区域出现塑性区贯通情形，表明边坡发生失稳现象。根据塑性区贯通判据以

图1表1

岩性强风化层弱风化层微风化层

内摩擦角（／°）２２３３３５

边坡FLAC3D模型

及保守考虑，边坡的稳定系数为2.1。

从图4中可以看出，当折减系数由1.8刚开始逐

剪切

模量／Ｐａ

抗拉强度／Ｐａ

不同岩性的物理力学指标

单位质量／ｇ·ｃｍ－３２．５０２．６５２．７０

内聚力／Ｐａ

体积模量／Ｐａ１．１×１０９３．８×１０９６．３×１０９

渐增加时，边坡结点的最大位移变化缓慢，呈缓慢增加趋势，当折减系数由2.1增加到2.2时，最大位移由3.0cm快速增加到28.0cm，产生位移突变。同时，从图2（f）中可以看到，当折减系数为2.2时，边坡体内有一条潜在的破坏面贯通上部区域，根据位移突变判据以及保守考虑，边坡的稳定性系数为2.1。

综上所述，该露天矿排土场边坡的稳定性系数为2.1。

１．０×１０５０．７×１０５０．３×１０９

３．０×１０５２．７×１０５２．０×１０９４．５×１０５４．２×１０５３．６×１０９

将FLAC3D和强度折减法相结合，得到不同折减系数时的边坡结点位移图和剪应变云图，分别如图2和图3所示。

折减系数为1.0时（a）（b）折减系数为1.8时（c）折减系数为1.9时

（d）折减系数为2.0时

图2

（e）折减系数为2.1时

不同折减系数时边坡结点位移图

（f）折减系数为2.2时

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折减系数为1.0时（a）（b）折减系数为1.8时（c）折减系数为1.9时

（d）折减系数为2.0时

图3

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（e）折减系数为2.1时

不同折减系数时边坡剪应变云图

（f）折减系数为2.2时

点。与极限平衡法相比，FLAC3D强度折减法不需要事先假设可能的滑动面位置和形状，不仅满足平衡条件，而且考虑了边坡整体的安全程度、土体的本构关系以及变形对应力的影响，能够模拟出边坡破坏的实际滑动面[5]。

20最大位移／ｃｍ

10420

参考文献：

［１］彭文斌．ＦＬＡＣ３Ｄ实用教程［Ｍ］．机械工业出版社，２０１１．［２］陈远川．有限元强度折减法计算土坡稳定安全系数的研

1.7

1.8

1.9

2.0

2.1

2.2

究［Ｄ］．重庆交通大学，２００９．

［３］聂守智．基于有限元强度折减法的边坡稳定性数值研究

［Ｄ］．西安理工大学，２０１０．

［４］刘波，韩彦辉（美国）．ＦＬＡＣ原理、实例与应用指南［Ｍ］．

人民交通出版社，２００５．

［５］杨丽萍．准格尔黑岱沟露天煤矿内排土场边坡稳定性分

析［ …… 此处隐藏：1719字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……