黄土边坡二维和三维变形破坏模型的对比分析

张向东，张 玉，陈慧刚

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000)

黄土边坡二维和三维变形破坏模型的对比分析

张向东，张 玉，陈慧刚

(辽宁工程技术大学土木与交通学院，辽宁阜新 123000)

边坡变形特征在稳定性预测中尤为重要，已有文献往往只局限于二维或三维分析，没有对两者加以比较，导致模型选择与分析的问题不一致，浪费了时间和金钱。针对这个问题，课题组以某黄土边坡加固为例，运用ADINA软件建立二维和三维模型进行模拟，并与现场实际对照。结果表明:两种模型对边坡变形趋势的分析结果一致;三维模型变形预测值大于二维模型的30%～100%，分别得出定性和定量的结果，三维模型更符合实际变形;两种模型预测出的最薄弱部位和现场实际一致，具有实用性。这些结论为黄土边坡的变形预测和加固分析模型的选择提供了参考依据。

黄土边坡;二维和三维模型;变形预测;ADINA

0 引言

滑坡较多的存在于山区，随着经济发展和建设用地的紧张，越来越多的企业选择在坡地建厂。但由于对边坡认识不清，采取的加固措施不到位，浪费了大量的物力、财力和人力。文献［3-5］分别建立二维或三维模型进行数值模拟，但没有对两种模型进行比较，模型的选择和问题的分析欠佳。课题组就是基于这样的出发点，以影响边坡稳定的因素为研究对象［1］，着眼具体工程，运用ADINA软件从二维和三维分别进行变形模拟对比，为边坡的变形预测和加固提供了参考依据。

1 工程实例

1.1 工程概况

该工程位于晋东南黄土丘陵区，原始地貌北高南低，最大高差36m。北部边坡最大高差为19m，属于黄土高边坡。高边坡勘察区东西长约250m，南北宽200m。根据区域地质资料和钻探揭露，场地地层主要由第四系上更新统和中更新统冲击成因的湿陷性粉质粘土和粉质粘土组成，下伏二叠系的泥岩、砂岩和石灰岩。从上到下依次为:湿陷性粉质粘土、粉质粘土(褐红-红褐色)、粉质粘土(棕红色)、泥岩和灰岩。在勘探深度内赋存有地下水，大气降水渗入在相对隔水条件较好的第三层土层以上形成上层滞水，软弱带上部为第一层土，下部为第二层土，厚度在0.3～0.5m，具有垂直裂隙和大孔隙存在，强度低，是潜在的滑动带。

1.2 边坡加固

经过场地地层结构和岩性分析、土工试验、边坡稳定指标的选取、稳定性分析、滑坡推力计算等一系列工作，进行了边坡支护结构设计，包括抗滑桩和锚索(杆)-框架梁设计［1-2］。具体加固措施为:抗滑桩设置在坡脚处，采用1200mm×1000mm方桩，桩距3.5m，混凝土强度C30。边坡临空面采用锚索-框架梁方式加固，锚索为全长粘结型。水平间距4.0m，竖向间距2.5m，成孔110mm，倾角20°。杆体为2束1×7钢绞线或1Φ28钢筋，框架梁尺寸300mm×300mm。

2 计算参数和模型的建立

2.1 计算参数

模拟计算中分别采用二维和三维模型，土体采用Mohr-Coulomb材料模型，锚杆采用 ADINA提供的rebar单元进行模拟。两种模型的载荷、边界条件和单元划分分别见表1和表2［3］。

边坡支护结构与土体之间加接触单元采用Desai等人提出的薄层四边形单元，可以较好地反映法向变形和切向变形以及应力的传递。

初始地应力采取地应力导入法，方便快捷且合理，先计算土体只受重力的情况，在后处理中导出土体应力，然后将土体应力输入到下一步运算中，当作初始条件，进行计算，既施加了地应力，也抵消了因地应力产生的多余位移［4-5］。

表1 两种模型的载荷、边界条件Table 1 Loads and boundary conditions of models

表2 两种模型单元选择及划分Table 2 Element selection and division of models

2.2 模型的建立［5-8］

2.2.1 二维模型的建立

取代表性截面2-2进行二维分析(图1)。

图1 治理后二维模型边坡网格图Fig.1 Slope grids for 2D model after reinforcement

2.2.2 三维模型的建立

取代表性截面1-1至3-3进行三维分析(图2)。

图2 治理后三维模型边坡网格图Fig.2 Slope grids for 3D model after reinforcement

3 模拟结果及分析

由图3、图4两个模拟云图可以得表3中的结果，与现场实际一致，说明模拟的可行性。

图3 二维模型水平位移云图Fig.3 Horizontal displacement nephogram for 2D model

图4 三维模型水平位移云图Fig.4 Horizontal displacement nephogram for 3D model

表3 模拟云图结果Table 3 Simulation nephogram results

为进一步研究二维和三维模型在边坡变形预测中所起的作用，现取2-2沿坡体临空面水平位移曲线图与三维模型中截面(1-1至3-3中心截面)临空面水平位移曲线图进行对比分析。在实际边坡位置上，取点为同一点，分别见图5～7，竖向位移模拟对比图见图8。

图5 二维模型取点示意图Fig.5 Chart of points in 2D model

图6 三维模型取点示意图Fig.6 Chart of points in 3D model

图7 水平位移结果对比Fig.7 Comparison of horizontal displacement

图8 竖向位移结果对比Fig.8 Comparison of vertical displacement

由曲线图分析可知，二维和三维模型的变形趋势相同，三维模型变形值大于二维的30% ～100%，三维实体模型更符合实际且偏安全。二维变形模型虽然不能考虑三维性状，但相对于三维模型定量分析问题，建模和计算都很方便，能定性分析问题。在实际应用中，采用两种模拟的联合可经济合理的对边坡变形和加固做出分析。

另外，越接近坡顶，水平位移和竖直位移越大，其矢量和就越大。在E点处位移值达到了峰值，与现场实际相吻合，应采取重点加固，说明模拟结果的可行性和实用性。

4 结论

通过边坡变形计算参数的设置、模型的建立及模拟对比，可得出以下结论:

(1)两种模型对边坡变形趋势的分析结果一致。

(2)三维模型变形预测值大于二维模型的30%～100%，分别得出定性和定量的结果，三维模型更符合实际变形，但建模工作量大，分析效率低。通过二维模拟可定性分析问题，因此，应根据不同阶段的需要选用模型。

(3)两种模型预测出的最薄弱部位和现场实际一致，具有实用性。

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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

辽宁省高等学校优秀人才支持计划项目(2008RC23)

张向东(1962—)，男，吉林榆树人，教授，博士，博士生导师，从事工程数学和岩土工程的教学与科学研究。

E-mail:zhxd2008@yahoo.com.cn