黃土邊坡二維和三維變形破壞模型的對比分析

張向東，張 玉，陳慧剛

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000)

黃土邊坡二維和三維變形破壞模型的對比分析

張向東，張 玉，陳慧剛

(遼寧工程技術大學土木與交通學院，遼寧阜新 123000)

邊坡變形特征在穩定性預測中尤為重要，已有文獻往往只局限于二維或三維分析，沒有對兩者加以比較，導致模型選擇與分析的問題不一致，浪費了時間和金錢。針對這個問題，課題組以某黃土邊坡加固為例，運用ADINA軟件建立二維和三維模型進行模擬，并與現場實際對照。結果表明:兩種模型對邊坡變形趨勢的分析結果一致;三維模型變形預測值大于二維模型的30%～100%，分別得出定性和定量的結果，三維模型更符合實際變形;兩種模型預測出的最薄弱部位和現場實際一致，具有實用性。這些結論為黃土邊坡的變形預測和加固分析模型的選擇提供了參考依據。

黃土邊坡;二維和三維模型;變形預測;ADINA

0 引言

滑坡較多的存在于山區，隨著經濟發展和建設用地的緊張，越來越多的企業選擇在坡地建廠。但由于對邊坡認識不清，采取的加固措施不到位，浪費了大量的物力、財力和人力。文獻［3-5］分別建立二維或三維模型進行數值模擬，但沒有對兩種模型進行比較，模型的選擇和問題的分析欠佳。課題組就是基于這樣的出發點，以影響邊坡穩定的因素為研究對象［1］，著眼具體工程，運用ADINA軟件從二維和三維分別進行變形模擬對比，為邊坡的變形預測和加固提供了參考依據。

1 工程實例

1.1 工程概況

該工程位于晉東南黃土丘陵區，原始地貌北高南低，最大高差36m。北部邊坡最大高差為19m，屬于黃土高邊坡。高邊坡勘察區東西長約250m，南北寬200m。根據區域地質資料和鉆探揭露，場地地層主要由第四系上更新統和中更新統沖擊成因的濕陷性粉質粘土和粉質粘土組成，下伏二疊系的泥巖、砂巖和石灰巖。從上到下依次為:濕陷性粉質粘土、粉質粘土(褐紅-紅褐色)、粉質粘土(棕紅色)、泥巖和灰巖。在勘探深度內賦存有地下水，大氣降水滲入在相對隔水條件較好的第三層土層以上形成上層滯水，軟弱帶上部為第一層土，下部為第二層土，厚度在0.3～0.5m，具有垂直裂隙和大孔隙存在，強度低，是潛在的滑動帶。

1.2 邊坡加固

經過場地地層結構和巖性分析、土工試驗、邊坡穩定指標的選取、穩定性分析、滑坡推力計算等一系列工作，進行了邊坡支護結構設計，包括抗滑樁和錨索(桿)-框架梁設計［1-2］。具體加固措施為:抗滑樁設置在坡腳處，采用1200mm×1000mm方樁，樁距3.5m，混凝土強度C30。邊坡臨空面采用錨索-框架梁方式加固，錨索為全長粘結型。水平間距4.0m，豎向間距2.5m，成孔110mm，傾角20°。桿體為2束1×7鋼絞線或1Φ28鋼筋，框架梁尺寸300mm×300mm。

2 計算參數和模型的建立

2.1 計算參數

模擬計算中分別采用二維和三維模型，土體采用Mohr-Coulomb材料模型，錨桿采用 ADINA提供的rebar單元進行模擬。兩種模型的載荷、邊界條件和單元劃分分別見表1和表2［3］。

邊坡支護結構與土體之間加接觸單元采用Desai等人提出的薄層四邊形單元，可以較好地反映法向變形和切向變形以及應力的傳遞。

初始地應力采取地應力導入法，方便快捷且合理，先計算土體只受重力的情況，在后處理中導出土體應力，然后將土體應力輸入到下一步運算中，當作初始條件，進行計算，既施加了地應力，也抵消了因地應力產生的多余位移［4-5］。

表1 兩種模型的載荷、邊界條件Table 1 Loads and boundary conditions of models

表2 兩種模型單元選擇及劃分Table 2 Element selection and division of models

2.2 模型的建立［5-8］

2.2.1 二維模型的建立

取代表性截面2-2進行二維分析(圖1)。

圖1 治理后二維模型邊坡網格圖Fig.1 Slope grids for 2D model after reinforcement

2.2.2 三維模型的建立

取代表性截面1-1至3-3進行三維分析(圖2)。

圖2 治理后三維模型邊坡網格圖Fig.2 Slope grids for 3D model after reinforcement

3 模擬結果及分析

由圖3、圖4兩個模擬云圖可以得表3中的結果，與現場實際一致，說明模擬的可行性。

圖3 二維模型水平位移云圖Fig.3 Horizontal displacement nephogram for 2D model

圖4 三維模型水平位移云圖Fig.4 Horizontal displacement nephogram for 3D model

表3 模擬云圖結果Table 3 Simulation nephogram results

為進一步研究二維和三維模型在邊坡變形預測中所起的作用，現取2-2沿坡體臨空面水平位移曲線圖與三維模型中截面(1-1至3-3中心截面)臨空面水平位移曲線圖進行對比分析。在實際邊坡位置上，取點為同一點，分別見圖5～7，豎向位移模擬對比圖見圖8。

圖5 二維模型取點示意圖Fig.5 Chart of points in 2D model

圖6 三維模型取點示意圖Fig.6 Chart of points in 3D model

圖7 水平位移結果對比Fig.7 Comparison of horizontal displacement

圖8 豎向位移結果對比Fig.8 Comparison of vertical displacement

由曲線圖分析可知，二維和三維模型的變形趨勢相同，三維模型變形值大于二維的30% ～100%，三維實體模型更符合實際且偏安全。二維變形模型雖然不能考慮三維性狀，但相對于三維模型定量分析問題，建模和計算都很方便，能定性分析問題。在實際應用中，采用兩種模擬的聯合可經濟合理的對邊坡變形和加固做出分析。

另外，越接近坡頂，水平位移和豎直位移越大，其矢量和就越大。在E點處位移值達到了峰值，與現場實際相吻合，應采取重點加固，說明模擬結果的可行性和實用性。

4 結論

通過邊坡變形計算參數的設置、模型的建立及模擬對比，可得出以下結論:

(1)兩種模型對邊坡變形趨勢的分析結果一致。

(2)三維模型變形預測值大于二維模型的30%～100%，分別得出定性和定量的結果，三維模型更符合實際變形，但建模工作量大，分析效率低。通過二維模擬可定性分析問題，因此，應根據不同階段的需要選用模型。

(3)兩種模型預測出的最薄弱部位和現場實際一致，具有實用性。

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Comparison analyses on 2D and 3D deformation failure models of loess slope

ZHANG Xiang-dong，ZHANG Yu，CHEN Hui-gang
(Institute of civil and transport，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China)

Slope deformation characteristic's importance in stability prediction is obvious.The existent documents studied 2D or 3D model only，neglecting the respective effect of them，thus model selection is in no accordance with the problem.To this problem，Study-group used ADINA to establish 2D and 3D model and compare them to the worksite based on one loess slope reinforcement.The results show:these two models have a similar result on trend of slope deformation;the deformation prediction values of 3D is 30%to 100%higher than 2D，obtaining characteristic-oriented and quantity-oriented result respectively，3D model is more actual;the most weak positions predicted by simulation are in accordance with the worksite，it's practical.These conclusions provide references for model selection of loess slope deformation prediction and reinforcement.

loess slope;2D and 3D models;deformation prediction;ADINA software

1003-8035(2012)03-0018-03

TU413.62

A

2012-03-22;

2012-04-09

遼寧省高等學校優秀人才支持計劃項目(2008RC23)

張向東(1962—)，男，吉林榆樹人，教授，博士，博士生導師，從事工程數學和巖土工程的教學與科學研究。

E-mail:zhxd2008@yahoo.com.cn