張向東，張 玉，陳慧剛

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

黃土邊坡二維和三維變形破壞模型的對(duì)比分析

張向東，張 玉，陳慧剛

(遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木與交通學(xué)院，遼寧阜新 123000)

邊坡變形特征在穩(wěn)定性預(yù)測(cè)中尤為重要，已有文獻(xiàn)往往只局限于二維或三維分析，沒(méi)有對(duì)兩者加以比較，導(dǎo)致模型選擇與分析的問(wèn)題不一致，浪費(fèi)了時(shí)間和金錢(qián)。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，課題組以某黃土邊坡加固為例，運(yùn)用ADINA軟件建立二維和三維模型進(jìn)行模擬，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)照。結(jié)果表明:兩種模型對(duì)邊坡變形趨勢(shì)的分析結(jié)果一致;三維模型變形預(yù)測(cè)值大于二維模型的30%～100%，分別得出定性和定量的結(jié)果，三維模型更符合實(shí)際變形;兩種模型預(yù)測(cè)出的最薄弱部位和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致，具有實(shí)用性。這些結(jié)論為黃土邊坡的變形預(yù)測(cè)和加固分析模型的選擇提供了參考依據(jù)。

黃土邊坡;二維和三維模型;變形預(yù)測(cè);ADINA

0 引言

滑坡較多的存在于山區(qū)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)用地的緊張，越來(lái)越多的企業(yè)選擇在坡地建廠(chǎng)。但由于對(duì)邊坡認(rèn)識(shí)不清，采取的加固措施不到位，浪費(fèi)了大量的物力、財(cái)力和人力。文獻(xiàn)［3-5］分別建立二維或三維模型進(jìn)行數(shù)值模擬，但沒(méi)有對(duì)兩種模型進(jìn)行比較，模型的選擇和問(wèn)題的分析欠佳。課題組就是基于這樣的出發(fā)點(diǎn)，以影響邊坡穩(wěn)定的因素為研究對(duì)象［1］，著眼具體工程，運(yùn)用ADINA軟件從二維和三維分別進(jìn)行變形模擬對(duì)比，為邊坡的變形預(yù)測(cè)和加固提供了參考依據(jù)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

該工程位于晉東南黃土丘陵區(qū)，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(qū)東西長(zhǎng)約250m，南北寬200m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料和鉆探揭露，場(chǎng)地地層主要由第四系上更新統(tǒng)和中更新統(tǒng)沖擊成因的濕陷性粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土組成，下伏二疊系的泥巖、砂巖和石灰?guī)r。從上到下依次為:濕陷性粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土(褐紅-紅褐色)、粉質(zhì)粘土(棕紅色)、泥巖和灰?guī)r。在勘探深度內(nèi)賦存有地下水，大氣降水滲入在相對(duì)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(qiáng)度低，是潛在的滑動(dòng)帶。

1.2 邊坡加固

經(jīng)過(guò)場(chǎng)地地層結(jié)構(gòu)和巖性分析、土工試驗(yàn)、邊坡穩(wěn)定指標(biāo)的選取、穩(wěn)定性分析、滑坡推力計(jì)算等一系列工作，進(jìn)行了邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括抗滑樁和錨索(桿)-框架梁設(shè)計(jì)［1-2］。具體加固措施為:抗滑樁設(shè)置在坡腳處，采用1200mm×1000mm方樁，樁距3.5m，混凝土強(qiáng)度C30。邊坡臨空面采用錨索-框架梁方式加固，錨索為全長(zhǎng)粘結(jié)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(xiàn)或1Φ28鋼筋，框架梁尺寸300mm×300mm。

2 計(jì)算參數(shù)和模型的建立

2.1 計(jì)算參數(shù)

模擬計(jì)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(jìn)行模擬。兩種模型的載荷、邊界條件和單元?jiǎng)澐址謩e見(jiàn)表1和表2［3］。

邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)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(yīng)力的傳遞。

初始地應(yīng)力采取地應(yīng)力導(dǎo)入法，方便快捷且合理，先計(jì)算土體只受重力的情況，在后處理中導(dǎo)出土體應(yīng)力，然后將土體應(yīng)力輸入到下一步運(yùn)算中，當(dāng)作初始條件，進(jìn)行計(jì)算，既施加了地應(yīng)力，也抵消了因地應(yīng)力產(chǎn)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(jìn)行二維分析(圖1)。

圖1 治理后二維模型邊坡網(wǎng)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(jìn)行三維分析(圖2)。

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

3 模擬結(jié)果及分析

由圖3、圖4兩個(gè)模擬云圖可以得表3中的結(jié)果，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致，說(shuō)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(jié)果Table 3 Simulation nephogram results

為進(jìn)一步研究二維和三維模型在邊坡變形預(yù)測(cè)中所起的作用，現(xiàn)取2-2沿坡體臨空面水平位移曲線(xiàn)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(xiàn)圖進(jìn)行對(duì)比分析。在實(shí)際邊坡位置上，取點(diǎn)為同一點(diǎn)，分別見(jiàn)圖5～7，豎向位移模擬對(duì)比圖見(jiàn)圖8。

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

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

圖7 水平位移結(jié)果對(duì)比Fig.7 Comparison of horizontal displacement

圖8 豎向位移結(jié)果對(duì)比Fig.8 Comparison of vertical displacement

由曲線(xiàn)圖分析可知，二維和三維模型的變形趨勢(shì)相同，三維模型變形值大于二維的30% ～100%，三維實(shí)體模型更符合實(shí)際且偏安全。二維變形模型雖然不能考慮三維性狀，但相對(duì)于三維模型定量分析問(wèn)題，建模和計(jì)算都很方便，能定性分析問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，采用兩種模擬的聯(lián)合可經(jīng)濟(jì)合理的對(duì)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(diǎn)處位移值達(dá)到了峰值，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際相吻合，應(yīng)采取重點(diǎn)加固，說(shuō)明模擬結(jié)果的可行性和實(shí)用性。

4 結(jié)論

通過(guò)邊坡變形計(jì)算參數(shù)的設(shè)置、模型的建立及模擬對(duì)比，可得出以下結(jié)論:

(1)兩種模型對(duì)邊坡變形趨勢(shì)的分析結(jié)果一致。

(2)三維模型變形預(yù)測(cè)值大于二維模型的30%～100%，分別得出定性和定量的結(jié)果，三維模型更符合實(shí)際變形，但建模工作量大，分析效率低。通過(guò)二維模擬可定性分析問(wèn)題，因此，應(yīng)根據(jù)不同階段的需要選用模型。

(3)兩種模型預(yù)測(cè)出的最薄弱部位和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際一致，具有實(shí)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，F(xiàn)uxin 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(xué)校優(yōu)秀人才支持計(jì)劃項(xiàng)目(2008RC23)

張向東(1962—)，男，吉林榆樹(shù)人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，從事工程數(shù)學(xué)和巖土工程的教學(xué)與科學(xué)研究。

E-mail:zhxd2008@yahoo.com.cn