ANSYS边坡工程应用实例分析.docx

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本章要点
边坡工程归纳ANSYS边坡稳固性分析步骤
ANSYS边坡稳固性实例分析
本章典型成效图
边坡工程归纳
边坡工程
边坡指地壳表部全部拥有侧向临空面的地质体,是坡面、坡顶及其下部必定深度坡体的总称。坡面与坡顶面下部至坡脚高程的岩体称为坡体。
倾斜的地面称为斜坡,铁路、公路建筑施工中,所形成的路堤斜坡称为路堤边坡;开挖路堑所形成的斜坡称为路堑边坡;水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成的斜坡也称为边坡;这些对应工程就称为边坡工程
对边坡工程进行地质分类时,考虑了下述各点。第一,按其物质构成,即按构成边坡的地
层和岩性,可以分为岩质边坡和土质边坡(后者包含黄土边坡、砂土边坡、土石混杂边坡)。地层和岩性是决定边坡工程地质特色的基本要素之一,,再按边坡的构造状况进行分类。因为在岩性相同的条件下,坡体构造是决定边坡稳固状
况的主要要素,它直接关系到边坡稳固性的议论和办理方法。最后,假如边坡已经变形,再按
其主要变形形式进行划分。即边坡类属的称呼序次是:岩性—构造—变形。
边坡工程对公民经济建设有重要的影响:在铁路、公路与水利建设中,边坡修建是不行防备的,边坡的稳固性严重影响到铁路、公路与水利工程的施工安全、运营安全以及建设成本。在路堤施工中,在路堤高度必定条件下,坡角越大,路基所占面积就越小,反之越大。在山区,坡角越大,则路堤所需填方量越少。所以,很有必需对边坡稳固性进行分析,
边坡变形破坏基根源理
应力分布状态
边坡从其形成开始,就处于各种应力作用(自重应力、构造应力、热应力等)之下。在边坡的发展变化过程中,因为边坡形态和构造的不停改变以及自然和人为营力的作用,边坡的应力
状态也随之调整顿变。依据资料及有限元法计算,应力主要发生以下变化:
1)岩体中的主应力迹线发生明显偏转,边坡坡面周边最大主应力方向和坡而平行,而最小主应力方向则与坡面近于垂直,并开始出现水平方向的剪应力,其总趋向是由内向外增加,愈近坡脚愈高,向坡内逐渐恢复到原始应力状态。
在坡脚逐渐形成明显的应力集中带。边坡愈陡,应力集中愈严重,最大最小主应力的差值也愈大。其余,在边坡下面分别形成切向应力减弱带和水平应力收缩带,而在凑近边坡的表部所测得的应力值均大于按上覆岩体重量计算的数值。
边坡坡面岩体因为侧向应力近于零,实质上变为两向受力。在较陡边坡的坡面和顶面,
出现拉应力,。边
坡应力的调整和拉应力带的出现,是边坡变形破坏最先始的征兆。比方,因为坡脚应力的集中,常是坡脚出现挤压破碎带的原由;因为坡面及坡顶出现拉应力带,常是表
层岩体松动变形的原由。
边坡岩体变形破坏基本形式
边坡在复杂的内外处质营力作用下形成,又在各种要素作用下变化发展。全部边坡都在不
断变形过程中,经过变形逐渐发展至破坏。其基本变形破坏形式主要有:废弛张裂、滑动、倒塌、倾倒、蠕动和流动。
影响边坡稳固性的因案
影响边坡稳固性的主要要素有:
边坡资料力学特征参数:
包含弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数。
边坡的几何尺寸参数:
包含边坡高度、坡面角和边坡界限尺寸以及坡面后方坡体的几何形状,即坡体的不连续
面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系,它将确立坡体的各个部分能否滑动或塌落。
边坡外面荷载:
包含地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等。
边坡稳固性的分析方法
分析边坡稳固问题,基本上可以分为两种方法:极限均衡方法和数值分析方法。
极限均衡方法
极限均衡方法的基本思想是:以摩尔一库仑抗剪强度理论为基础,将滑坡体划分成若干垂直条块,建立作用在垂直条块上的力的均衡方程式,求解安全系数。
这类计算分析方法依照以下基本假设:
依照库仑定律或由此引伸的准则。
将滑体作为均质刚性体考虑,以为滑体自己不变形,且可以传达应力。所以只研究滑动面上的受力大小,不研究滑体及滑床内部的应力状态。
将滑体的界限条件大大简化。如将复杂的滑体型态简化为简单的几何型态;将滑面简化为圆弧面、平面或折面;一般将立体问题简化为平面问题,取沿滑动方向的代表性剖面,以表征滑体的基本型态;将均布力简化为集中力,有时还将力的作用点简化为经过滑体重心。
极限均衡方法包含以下几种方法:
瑞典圆弧滑动法
简化逼肖普法
简布一般条分法
摩根斯坦-普赖斯法
不均衡推力传达法
以上各种方法都是假设土体是理想塑性资料,把土条作为一个刚体,依照极限均衡的原则进行力的分析,最大的不一样之处在于对相邻上条之间的内力作何种假设,也就是如何增添已知
条件使超静定问题变为静定问题。这些假设的物理意义不一样样,所能满足的均衡条件也不相同,计算步骤有繁有简,使用时一定注意他们的适用处合。
极限均衡方法要点是对滑体的休型和滑面的形态进行分析、正确采纳滑面的计算参数以及
正确引用滑体的荷载条件等。因为极限均衡方法完整不考虑土体自己的应力-应变关系,不可以真实地反响边坡失稳时的应力场和位移场,所以而遇到怀疑。
数值分析方法
数值数值分析方法考虑土体应力应变关系,战胜了极限均衡方法完整不考虑土体自己的应力-应变关系弊端,为边坡稳固分析供给了较为正确和深入的看法。
边坡稳固性数值分析方法主要包含以下几种方法:
有限元法
有限单元法是数值模拟方法在边坡稳固议论中应用最早的方法,也是当前最广泛使用的一
种数值方法,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。当前用有限元法求解边坡稳固主要有两种方法。
:将边坡体失散为有限单元格,依照施加的荷载及界限条件进行有限元计算可获取每个结点的应力张量。而后假设一个滑动面,用有限元数据给出滑动面任一点的向
正应力和剪应力,依据摩尔一库仑准则可得该点的抗滑力,由此即能求得滑动面上每个结点的下滑力与抗滑力,再对滑动面上下滑力与抗滑力进行积分,就可以求得每一个滑动面的安全系数。
:第一采纳初始折减系数,将岩土体强度参数进行折减,将折减后的参
数作为输入,进行有限元计算,若程序收敛,则岩土体仍处于稳固状态,而后再增添折减系数,直到程序恰好不收敛,此时的折减系数即为稳固或安全系数。
自适应有限元法
20世纪70年代开始自适应理论被引入有限元计算,主导思想是减少前办理工作量和实现网格失散的客观控制。现已基本建立了一般弹性力学、流体动力学、渗流分析等领域的平面自
适应分析系统,能使计算较为快速和正确。
失散单元法
失散单元法的突出功能是它在反响岩块之间接触面的滑移、分别与倾翻等大位移的同时,
又能计算岩块内部的变形与应力分布。所以,任何一种岩体资料都可引入到模型中,比方弹性、粘弹性或断裂等均可考虑,故该法对块状构造、层状破碎或一般破碎构造岩体边坡比较适合。
而且,它利用显式时间差分法(动向差分法)求解动力均衡方程,求解非线性大位移与动力问题比较简单。
失散元法在模拟过程中考虑了边坡失稳破坏的动向过程,同意岩土体存在滑动、平移、转动和岩体的断裂及松懈等复杂过程,拥有宏观上的不连续性和单个岩块休运动的随机性,可以较真实、动向地模拟边坡在形成和开挖过程中应力、位移和状态的变化,展望边坡的稳固性,所以在岩质高边坡稳固性的研究中获取广泛的应用。
拉格朗日元法
为了战胜有限元等方法不可以求解大变形问题的缺点,人们依占有限差分法的原理,提出了FLAC数值分析方法。该方法较有限元法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特征,求解速度较快。弊端是计算界限、单元网格的划分带有很大的随意性。
界面元法
界面元法是一种基于积累单元变形于界面的界面应力元法模型,建立适用于分析不连续、非均匀、各向异性和各种非线性问题、场问题,以及可以完整模拟各种锚杆复杂空间布局和开挖扰动的方法。
有限元法用于边坡稳固性分析长处
有限元法考虑了介质的变形特色,真实地反响了边坡的受力状态。它可以模拟连续介质,也可以模拟不连续介质;能考虑边坡沿柔弱构造面的破坏,也能分析边坡的整体稳固破坏。有限元法可以模拟边坡的圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏。同时它还可以适应各种界限条件和不规则几何形状,拥有很广泛的适用性。
有限元法应用于边坡工程,有其独到的优胜性。与一般分析方法对比,有限元法有以下优
点:
它考虑了岩体的应力-应变关系,求出每一单元的应力与变形,反响了岩体真实工作状
态。
与极限均衡法对比,不需要进行条间力的简化,岩体重新至尾处于均衡状态。
不需要像极限均衡法相同早先假设边坡的滑动面,边坡的变形特征、塑性区形成都依据实质应力应变状态“自然”形成。
若岩体的初始应力己知,可以模拟有构造应力边坡的受力状态。
不仅好像极限均衡法相同模拟边坡的整体破坏,还可以模拟边坡的局部破坏,把边坡的整体破坏和局部破坏纳入一致的系统。
可以模拟边坡的开挖过程,描述和反响岩体中存在的节理裂隙、断层等构造面。
基于有限元法拥有这样多长处,本章借助通用有限元软件ANSYS来实现对边坡稳固性分析,用详细的边坡工程实例详细介绍应用ANSYS软件分析边坡稳固性问题。
ANSYS边坡稳固性分析步骤
ANSYS边坡稳固性分析一般分以下几个步骤:
1、创办物理环境
2、建立模型,划分网格,对模型的不一样地域给予特征
3、加界限条件和载荷
4、求解
5、后办理(查察计算结果)
创办物理环境
在定义边坡稳固性分析问题的物理环境时,进入ANSYS前办理器,建立这个边坡稳固性分析的数学仿真模型。依照以下几个步骤来建立物理环境:
1、设置GUT菜单过滤
假如你希望经过GUI路径来运转ANSYS,当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜
单路径:MainMenu>Preferences,执行上述命令后,弹出一个如图
选择Structural。这样ANSYS会依据你所选择的参数来对GUI

4-1所示的对话框出现后,
图形界面进行过滤,选择
Structural以便在进行边坡稳固性分析时过滤掉一些不用要的菜单及相应图形界面。
2、定义分析标题(/TITLE)
在进行分析前,可以给你所要进行的分析起一个可以代表所分析内容的标题,比方“Slope
stabilityAnalysis”,以便可以从标题上与其余相似物理几何模型差别。用以下方法定义分析
标题。
命令:/TITLE
GUI:UtilityMenu>File>ChangeTitle
3、说明单元种类及其选项(KEYOPT选项)
与ANSYS的其余分析相同,也要进行相应的单元选择。ANSYS软件供给了100种以上的单
元种类,可以用来模拟工程中的各种构造和资料,各种不一样的单元组合在一起,成为详细的物
理问题的抽象模型。比方,不一样资料属性的边坡土体用PLANE82单元来模拟。
大多数单元种类都相要点选项(KEYOPTS),这些选项用以修正单元特征。比方,PLANE82
有以下KEYOPTS:
KEYOPT(2)包含或克制过大位移设置
KEYOPT(3)平面应力、轴对称、平面应变或考虑厚度的平面应力设置
KEYOPT(9)用户子程序初始应力设置
设置单元以及其要点选项的方式以下:
命令:ET
KEYOPT
GUI:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
4-1GUI图形界面过滤
定义单位
构造分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位,则全部输入的数据都应该是
这三个单位构成的表达方式。如标准国际单位制下,时间是秒(s),长度是米(m),质量是千
2
克(kg),则导用心的单位是kg?m/s(相当于牛顿

N),资料的弹性模量单位是

kg/m?s2(相
当于帕Pa)。
命令:/UNITS
5、定义资料属性
大多数单元种类在进行程序分析时都需要指定资料特征,ANSYS程序可方便地定义各种资料的特征,如构造资料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。
ANSYS程序可定义的资料特征有以下三种:
1)线性或非线性。
2)各向同性、正交异性或非弹性。
3)随温度变化或不随温度变化。
因为分析的边坡模型采纳理想弹塑性模型(D-P模型),所以边坡稳固性分析中需要定义边坡中不一样土体的资料属性:容重、弹性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。
命令:MP
GUI:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels
或

Main

Menu>Solution>Load

Step

Opts>Other>Change

Mat

Props>Material
Models
进行边坡稳固性分析计算时,采纳强度折减法来实现。第一采纳初始折减系数
边坡土体资料强度系数进行折减,折减后凝聚力以及摩擦角分别见式4-1和式

F,而后对4-2。
C‘

C
F
(4-1)
tan

‘

tan
F
(4-2)
C和

为边坡土体的初始凝聚力和摩擦角。
对C和进行折减,输入边坡模型计算,若收敛,则此时边坡是稳固的;连续增大
折减系数F,直到程序恰好不收敛,此时的折减系数即为稳固或安全系数。
建立模型和划分网格
创办好物理环境,就可以建立模型。在进行边坡稳固性分析时,需要建立模拟边坡土体的PLANE82单元。在建立好的模型各个地域内指定特征(单元种类、选项、实常数和资料性质等)今后,就可以划分有限元网格了。
经过GUI为模型中的各区给予特征:
1、选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>PickedAreas
2、点击模型中要选定的地域。
3、在对话框中为所选定的地域说明资料号、实常数号、单元种类号和单元坐标系号。
4、重复以上三个步骤,直至办理完全部地域。
经过命令为模型中的各区给予特征:
ASEL(选择模型地域)
MAT(说明资料号)
REAL(说明实常数组号)
TYPE(指定单元种类号)
ESYS(说明单元坐标系号)
施加拘束和荷载
在施加界限条件和荷载时,既可以给实体模型(要点点、线、面)也可以给有限元模型(节
点和单元)施加界限条件和荷载。在求解时,ANSYS程序会自动将加到实体模型上的界限条件和载荷转递到有限元模型上。
边坡稳固性分析中,主若是给边坡双侧和底部施加自由度拘束。
命令:D
施加荷载包含自重荷载以及边坡开挖荷载。
求解
接着就可以进行求解,ANSYS程序依据现有选项的设置,从数据库获取模型和载荷信息并进行计算求解,将结果数据写入到结果文件和数据库中。
命令:SOLVE
GUI:MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS
后办理
后办理的目的是以图和表的形式描述计算结果。对于边坡稳固性分析中,进入后办理器后,查察边坡变形图和节点的位移、应力和应变。跟着强度折减系数的增大,边坡的水平位移增大,塑性应变急剧发展,塑性区发展形成一个贯穿地域时,计算不收敛,以为边坡发生了破坏。通
过研究位移、应变和塑性地域,来综合判断边坡的稳固性。
命令:/POST1
GUI:MainMenu>GeneralPostproc
增补说明
边坡的失稳破坏定义有很多种,对于采纳弹塑性计算模型的边坡,需要综合考虑以下要素:
(1)把有限元计算的收敛与否作为一个重要的衡量指标,边坡处于稳固状态,计算收敛,
边坡破坏时,边坡不收敛。
2)边坡失稳的同时还表现出位移急剧增添。
3)边坡失稳总是陪同着塑性变形的明显增添和塑性区的发展,塑性区的发展状况反响了
边坡能否处于稳固状态。
其余,采纳弹塑性有限元法进行计算,它拥有独到的优势:
弹塑性分析假设岩体为弹塑性资料,岩体在受力早期处于弹性状态,达到必定的信服准则后,处于塑性状态。采纳弹塑性模型更能反响岩体的实质工作状态。
岩体所承受的荷载超出资料强度时,就会出现明显的滑移破坏面。所以,弹塑性计算不需要假设破坏面的形状和地址,破坏面依据剪应力强度理论自动形成。当整个边坡破坏时,就
会出现明显的塑性区。
(3)能综合考虑边坡的局部失稳和整体失稳破坏。
ANSYS边坡稳固性实例分析
实例描述
米米米
米
米边坡围岩2弹塑性资料
米边坡围岩1弹性资料
图4-2边坡模型
边坡实例采纳国内某矿,该边坡考虑弹性和塑性两种资料,边坡尺寸如图4-2所示。分析目的是对该边坡进行稳固性计算分析,以判断其稳固性和计算出安全系数,该边坡围岩资料属性见表4-1。
表4-1
边坡模型围岩参数
种类
弹性模量
泊松比
容重
内聚力
摩擦角
/Gpa
v
/kN/m3
/Mpa
(。)
围岩2(弹塑性)
30
2500
42
围岩1(弹性)
31
2700
-
-
对于像边坡这样纵向很长的实体,计算模型可以简化为平面应变问题。假设边坡所承受的
外力不随Z轴变化,位移和应变都发生在自己平面内。对于边坡变形和稳固性分析,这类平面假设是合理的。实测经验表示,边坡的影响范围在2倍坡高范围,所以本文计算地域为边坡体横向延伸2倍坡高,纵向延伸3倍坡高。双侧界限水平位移为零,下侧界限竖向位移为零。弹性有限
元的计算模型如图4-2所示。
采纳双层模型,模型上部为理想弹塑性资料,下部为弹性资料,左右界限水平位移为零,下界限竖向位移为零。
双层模型考虑土体的弹塑性变形,其塑性区的发展,应力的分布更吻合实质状况。考虑双层模型,塑性区下部的单元可以产生必定的垂直变形和水平变形,基本除掉了因为界限效应在边坡下部出现的塑性区,更好地模拟了边坡的变形和塑性区的发展。
GUI操作方法
创办物理环境
在【开始】菜单中挨次采纳【全部程序】/【】/【ANSYSProductLauncher】,获取“ProductLauncher”对话框。
2)选中【FileManagement】,在“WorkingDirectory”栏输入工作目录
“D:\ansys\example4-1”,在“JobName”栏输入文件名“Slope”。
3)单击“

RUN”按钮,进入的

GUI操作界面。
4)过滤图形界面:

MainMenu>Preferences

,弹出“

PreferencesforGUIFiltering

”
对话框,选中“Structural”来对后边的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。
5)定义工作标题:UtilityMenu>File>ChangeTitle,在弹出的对话框中输入“Slope
stabilityAnalysis”,单击“OK”,如图4-3。
图4-3定义工作标题
6)定义单元种类:
:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,弹
出一个元型框,“Add”按。出如4-4所示框。在框左面
中“Solid”,在右的中“Quad8node82”,“Apply”,就定了“PLANE82”元。
4-4定PLANE82元框
:MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete,
出一个元型框,中“Type2PLANE82”,“Options”按,出一个“PLANE82elementTypeoptions”框,如4-5所示。在“ElementbehaviorK3”后边的下拉菜
中取“Planestrain”,其余后边的下拉菜采纳ANSYS默置就可以,“OK”按。
4-5PLANE82元型框
通置PLANE82元“K3”“Planestrain”来定本例分析采纳平面模型行分析。因坡是向很的体,故算模型可以化平面。
8点PLANE82元每个点有UX和UY两个自由度,比4点PLANE42元拥有更
高的精确性,不网格适性更。
7)定资料属性
:MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>Material
Models,出“DefineMaterialModelBehavior”框,如4-6所示。
4-6定资料本构模型框
在4-6中右中双“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后,又出如
4-7所示“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”框,在框中
“EX”后边的入入“3E10”,在“PRXY”后边的入入“”,“OK”。再在中
“Density”并双,出如4-8所示“DensityforMaterialNumber1”框,在“DENS”
后边的中入坡土体资料的密度“2500”,“OK”按。
再次在4-6中右的中双“Structural>Nonlinear>Inelastic>Non-metal
plasticity>drucker-prager”后,又出一个如4-9所示框。在“Cohesion”添入
坡岩资料1的内聚力“”,在“FricAngle”添入坡内摩擦角“42”,“OK”按。
4-7

性资料模型框

4-8

资料密度入框
4-9定坡资料1DP模型框
:在4-6框中,“Material>NewModel⋯”,出
一个“DefineMaterialID”框,在“ID”后边入资料号“2”,“OK”按。
出一个定资料模型框框,中“MaterialModelNumber2”,和定坡岩1
资料一,在右的中双“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后,又出一
个“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber2”框,在框中“EX”后
面的入入“”,在“PRXY”后边的入入“”,“OK”。再中“Density”并双