FLAC2D在桥梁右侧边坡稳定性分析中应用

FLAC2D在桥梁右侧边坡稳定性分析中的应用

摘要：在查明工程地质条件的基础上，应用flac2d对某桥梁右岸边坡进行数值模拟，分析在增加桥梁桩基荷载后边坡的应力、应变状态及其变化过程，并对其稳定性进行分析。 关键词：flac2d; 边坡稳定性; 桥梁; 1 概述

桥位所经区域位于四川盆地西南边缘地带，地势南西高，北东低，倾向盆地中心。河流自西北向东南纵贯测区，是区内最低侵蚀基准面，形成构造、风化剥蚀、河流侵蚀和河流堆积地貌。 大桥桥位所经地段阶地发育，出露地层简单，岩性单一，主要有三叠系，白垩系下统打儿凼组和第四系。本区处于新华夏构造体系第三沉降带之四川沉降褶带西南部，主要构造为新华夏构造体系控制形成，此外，还受北西向构造体系影响。

由地质勘探剖面图（图1）可以看出，大桥右岸边坡剖面上有四个工程地质岩组，分别如下：

(1)第四系冲洪积层（qal+pl）褐色亚粘土，含5%碎石，分布不均匀，硬塑，容许承载力200～250kpa。

(2)第四系冲积层（qal）褐黄色漂石土，稍密，潮湿～饱和，卵石成分多为泥质砂岩，容许承载力200～300kpa。

(3)白垩系下统打儿凼组二段（k1d2）褐红、灰紫色砂岩，局部夹泥质砂岩，弱风化，碎块状，容许承载力700～1000kpa。 (4) 白垩系下统打儿凼组一段（k1d1）浅紫色泥质砂岩，厚层～

巨厚层状，夹薄层砂岩，弱风化，碎块状，容许承载力500～700kpa。 本桥主桥为88＋160＋88米t形连续刚构桥,后退岸设40m引桥,前进岸设5×40m引桥。主桥基础为群桩基础；引桥下部构造为双柱墩，钻孔桩基础。

限于篇幅，本文只分析右岸引桥部分下部的边坡，在增加桩基荷载后的应力、应变状态和变化过程，以及对边坡稳定性的影响。 2 flac2d的简介

快速拉拉格朗日分析(fast lagrangian analysis of continua，简称flac)程序是一个有限差分程序，由美国itasca咨询集团公司开发，主要是为岩土工程应用而开发的岩石力学计算程序，程序中包括了反映岩土材料力学效应的特殊计算功能，可用于边坡、坝体、隧道、硐室等岩土介质的应力和变形模拟与分析。 falc2d的求解使用了如下3种计算方法：

(1)离散模型方法。连续介质被离散为若干互相连接的四节点单元，作用力均被集中在节点上。

(2)有限差分方法。变量关于空间和时间的一阶导数均采用有限差分来近似。

(3)动态松弛方法。应用质点运动方程求解，通过阻尼使系统衰减至平衡状态[1]。 3 参数选择

3.1桩基承载力的确定

根据现场实测数据，编号为4的浅紫色泥质砂岩的容许承载力

为500～700kpa。为了分析出最大容许荷载下边坡的情况，取700kpa为桩基荷载行计算，分析基础应力、应变情况。 3.2 计算模型参数选择

在flac中建立模型时，选用莫尔-库仑模型(mohr-coulomb model)作为本次岩土体的本构模型，其中各岩组的容重，内磨擦角，内聚力和泊松比可由试验数据得到，体积模量k，剪切模量g，与杨氏模量e和泊松比µ有关。

由已知数据和计算公式得出各岩组的物理力学参数如表1所示[2]：

4 模拟计算与分析 4.1 模型的建立

flac分析采用mohr-couloub本构模型。由于边坡浅表层构造应力在长期的地质过程中已松驰殆尽，因此模型边界不考虑水平构造应力的作用，只考虑自重应力的作用。模型左右边界和底边界给予水平(x)和垂直(y)方向的约束。[3]

根据上述模型参数的选定，岸坡模型网格如图2。模型由150×100网格进行离散后生成。 4.2 计算与分析

对模型进行初始条件赋值以及初始平衡计算后，对模型进行开挖和施加荷载计算。

考虑到桥梁的桩基主要承载力主要来自基础底部，而桩基四周

的磨擦力相对较小，为简化模量不进行考虑。因此桩基模拟成开挖形式，开挖后的基坑左右两侧给予(x)方向的约束，然后再对基坑底部添加向下的荷载，以模拟桩基对基础的压力。

根据现场测试得出的岩石容许承载力为500～700kpa，取700kpa为桩基荷载，换算后得出每根桩基础所产生的压力为1.4×106n，对模型添加荷载后进行计算分析。

经flac模拟计算得到边坡初始、加荷后的最大、最小主应力等值线图（图3、图4）以及被跟踪单元格(i=55 j=54)垂直应力、主应力时步曲线图（图5）。对比应力等值线图（图3、图4），可以看出，荷载加载前后深部应力曲线变化很小。较明显的应力变化主要集中在桩基底部附近，由于加荷所产生的最大剪应力为8×105n，主要分布在桩基底部。根据应力曲线变化情况，得知此应力分布情况下对边坡整体稳定性影响不大。

由垂直应力的时步曲线（图5（a））可以得出，加荷初期应力变化很大是由于前期边坡内部应力平衡状态被破坏，而随后不平衡力的两侧振荡，最后振荡减小为“零”，表明处于弹性变形阶段基岩趋于平衡状态。这一过程同样可以从主应力时步曲线(图5(b))上看出。只是由于增加了水平应力的变化情况，主应力时步曲线的变化相对复杂一些，但最终仍然趋于稳定，表明主应力的平衡趋势。 4.2.2 变形特征分析

为了更加清晰的显示出基础内部位移，加荷分析前把模型各点位移、速度清零，既不考虑自得应力下的位移和速度。由位移等值线图（图6）上可以看出，水平和垂直方向上的位移在桩基附近均有集中现象。分析认为，岸坡表层为亚粘土和漂石土，其工程地质性质较下部泥质砂岩要差，在同等应力变化下，变形较大。结果表明，桩基底部的最大水平位移量为0.1mm，最大垂直位移量为2.5mm；岸坡表层岩土的最大水平位移量为0.5mm，最大垂直位移量为3mm。 从被跟踪点的垂直位移、速度时步曲线图（图7）也可以看出，垂直方向上的位移只是在加荷初期有着较大的变化，而随着时步的增加逐渐趋于恒定；在速度时步图上的反应就是速度变化趋向零，既被跟踪点不再发生移动。 4.2.3 平衡分析

通过对边坡的应力、位移以及被跟踪点速度分析，可知右岸边坡在增加荷载之后，内部应力、应变在发生小量变化之后均趋向对其稳定性有利的方向发展。

最大不平衡力-时步曲线图(图8)则可以更好的说明其稳定性。在整个分析过程中，曲线出现两次大的波动；其余曲线表示的最大不平衡力均为0，即处于稳定状态。其中，第一次波动出现在0～2000时步范围内，最大不平衡力最大值为1×105n，这一状态属于边坡在自重应力条件下逐渐趋于平衡时发生的不平衡力的波动。第二次波动出现在9000～13000时步范围内，最大不平衡力最大值为

1.4×106n，与增加桩基荷载的时步范围和应力大小一致，是增加桩基荷载后边坡趋于平衡过程中的最大不平衡力变化曲线。 5 结论

根据flac2d数值模拟分析计算的结果。可以得出，某桥岸坡在增加桩基荷载后，应力应变很快趋于稳定，稳定后的桩基底部的最大水平位移量为0.1mm，最大垂直位移量为2.5mm；岸坡表层岩土的最大水平位移量为0.5mm，最大垂直位移量为3mm。桩基荷载影响深度不大，在其产生的应力条件下不会破坏边坡的稳定性。 注：文章内所有公式及图表请用pdf形式查看。