边坡工程第7章-边坡稳定性数值分析方法(冶金出版社).pptx

;;;;;;;;;;;;;;岩土工程问题的数值解是建立在满足基本方程(平衡方程、几何方程、本构方程)和边界条件下推导的。由于基本方程和边界条件多为微分方程形式，因此，将基本方程近似用差分方程(代数方程)表示，把求解微分方程的问题转换成求解代数方程的问题，即为差分法计算的核心思想。 有限差分法是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法，数学概念直观、表达简单，是发展较早且比较成熟的数值分析方法，其通过泰勒级数展开等方法，以网格节点上的函数值的差商代替控制方程中的导数，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组。;?;;;;岩土介质是一种被众多节理裂隙等弱面切割的地质体，其力学问题往往涉及非线性大变形问题，有限元法和边界元法均无法求解，只能借助于拉格朗日法。拉格朗日法是一种分析非线性大变形问题的数值方法，其依然遵循连续介质假设，利用差分格式，按时步积分求解，随着构形变化不断更新坐标，允许介质有较大变形。 三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法，可以模拟岩土或其它材料的三维力学行为。三维快速拉格朗日分析将计算区域划分为若干单元，每个单元在给定边界条件下遵循指定线性或非线性本构关系。如果单元应力使材料屈服或产生塑性流动，则单元网格可以随着材料变形而变形，非常适合于模拟大变形问题。三维快速拉格朗日分析采用了显式有限差分格式求解场的控制微分方程，并应用了混合单元离散模型，可准确模拟材料的屈服、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。;;;与有限元方法相比，有限差分法能更好地考虑岩土体的不连续性和大变形特征，求解速度较快，其中最具代表性的软件是FLAC3D，可较好地模拟岩土或其它材料的真实力学行为，特别是材料达到屈服极限后产生的塑性流动，已广泛应用于边坡、基坑、隧道、地下洞室、采矿工程设计及评价等诸多领域，尤其适用于岩土体破坏后的大变形及峰后特性等问题的分析。 FLAC3D主要应用于岩土工程领域，其内置的本构模型反映了岩土材料的??学特性，可计算岩土类材料的高度非线性(包括应变硬化、软化)、不可逆剪切破坏和压密、黏弹(蠕变)、孔隙介质的固-流耦合、热-力耦合以及动力学行为等。材料通过单元和区域表示，根据计算对象的形状构成相应网格，每个单元在外载荷作用和边界约束条件下，按照约定的线性或非线性应力-应变关系产生力学响应。;;(1) 工程背景 山西平朔煤矿是我国最大的露天煤矿，其中东露天煤矿是继安太堡、安家岭露天矿之后，平朔公司开发建设的第三座特大型露天煤矿，矿山2009年正式开工建设，在首采区剥离过程中曾发生多次较大规模的边坡失稳灾害，滑动方向基本垂直边帮开挖线，滑坡的产生与粉质粘土、岩层产状、地下水等因素有关。 东露天矿2011年11月中旬发生的滑坡规模较大，滑坡体平面呈扇形，横宽236m，纵长206m，滑坡总体坡度26°～28°，滑体体积约78万m3，如图所示。;整理滑坡区域相关的钻孔资料以及剥离揭露的岩层情况，滑坡区域共布置三个剖面以揭露滑坡区域岩层的产状信息，具体剖面位置如左下图所示，其中剖面Ⅲ代表主滑方向，其岩层分布及产状如图右下图所示。;(2) FLAC3D数值计算模型 根据勘察资料及现场滑坡情况，对剖面Ⅲ进行适当简化。按照实际尺寸和岩土层条件建立网格单元，将模型网格分为未开挖网格和开挖网格两类，并按岩土类别进行分组；三维数值计算模型如右图所示，模型X、Y、Z方向长度分别为500m、300m、320m，岩土层包括粉土、粉质粘土、泥岩、砂岩、破碎风化带、煤层等，全部岩土体均采用Mohr-Coulomb模型；模型底部为固定约束，左右边界施加沿X轴方向的固定约束，前后边界施加沿Y方向的固定约束。;;(3) 剖面Ⅲ边坡稳定性模拟分析 剖面Ⅲ位于滑坡区域中心部位，滑坡发生时已开挖至1290平台，剖面初始计算模型如图所示。;在模型建立之初，先进行初始应力场分析，再计算边坡开挖对岩土体扰动情况，其具体计算步骤如下： 1) 对边坡地质环境进行FLAC3D数值建模，设置重力加速度9.8m/s2，计算在初始状态下边坡的自重应力和位移。 由于边坡靠近地表，不考虑构造应力的影响。应力场以岩土体的自重应力为主，其分布如右图所示。由图可知，模型初始应力场分布主要受岩土体自重影响，初始应力从上到下持续增长，靠近地表处岩土体初始应力接近于0，最大初始应力出现在计算模型底部，最大约6.98MPa。;2) 将初始应力场下单元位移和速度清零。 3) 计算边坡开挖导致的边坡单元位移和应力分布。通过分析开挖后的边坡位移、应力、主应力分布特征、塑性区分布、剪应变增量等计算结果，评价边坡稳定状况。 下图为坡体在开挖至1290平台后的位移分布情况(左为坡体水平向位移分布云图，右为坡体水平向位移沿