ANSYS巖土計(jì)算例子

1、肅艿螁肂腿蒅蚇肁莀ANSYSReportANSYS 土工結(jié)構(gòu)計(jì)算案例ANSY& CHINA廣州辦事處2020年3月24日目錄計(jì)算題目及計(jì)算要求說明題目一一、計(jì)算說明、計(jì)算所用 ANSYS 鄧肯張的 EB 模型說明 、計(jì)算有限元模型及計(jì)算結(jié)果題目二、用三維有限元模型計(jì)算、用三維有限元模型計(jì)算題目三10一、計(jì)算說明、計(jì)算有限元模型及邊界條件 、強(qiáng)夯地基固結(jié)計(jì)算101010題目四17、計(jì)算說明、計(jì)算幾何模型和有限元模型、計(jì)算結(jié)果1、計(jì)算邊界條件2、計(jì)算結(jié)果3、結(jié)論171718181920計(jì)算題目及計(jì)算要求說明題目一：高樁碼頭樁基與岸坡相互作用的線性有限元和非線性有線元 分析 題目二：大圓筒結(jié)

2、構(gòu)、波浪與地基的相互作用分析（大圓筒作為重力 式碼頭結(jié)構(gòu)，波浪為水平動荷載，門吊為豎向動荷載，地基為三層以 上地基包括自拋碎石墊層、粘土層、粉細(xì)砂層和巖層，粉細(xì)砂層可能 在波浪動荷載作用下液化造成圓筒傾覆）CQb。題目三：（沖擊荷載下）強(qiáng)夯地基固結(jié)有限元分析（提供固結(jié)方程或 固結(jié)方程處理方案， 孔隙水壓力消散計(jì)算方案、 沉降計(jì)算方案及其他 一些處理技巧） J9yVZ。題目四：在降雨情況下土工格柵加筋土擋墻邊坡上公路穩(wěn)定分析 （由至下為公路面層，墊層，擋墻，擋墻面板采用預(yù)制混凝土塊0.6 0.6 0.6m3,混凝土后方為鉤掛式土工格柵，邊坡比較陡，邊坡有一定排水特性）。YZ01S具體處理方案包括

3、：1、提供計(jì)算輸入界面2、計(jì)算模型或采用本構(gòu)情況3、前處理方案及網(wǎng)格劃分技巧4、特殊材料或模型嵌入技術(shù)5、計(jì)算技巧及解決方案6、后處理提供內(nèi)容具體報價方案包括： 進(jìn)行簡單報價， 涉及以上題目的各模塊的綜合報價 （包括前后處理及 解決以上問題的結(jié)構(gòu)與巖土問題的模塊報價 . 能用通用模塊計(jì)算盡 量用通用模塊 ,必須用 CivilFEM 模塊計(jì)算的請注明 .Atmkx提供解決方案時間： 2005年 5 月 18日之前。題目高樁碼頭樁基與岸坡相互作用的線性有限元和非線性有線元分析、計(jì)算說明可以用高樁碼頭樁基與岸坡相互作用的線性有限元和非線性有線元分析， 空間有限元模型或平面有限元模型數(shù)值求解。qaxB

4、n。空間有限元模型如圖1-1所示?？紤]到岸坡主要是平面問題，為了節(jié)省單 元，可以只取四榀排架建立空間模型，并以中間兩個排架的受力情況作為整個碼 頭段的樁的受力標(biāo)準(zhǔn)。橫梁可用梁單元或體單元，樁可用梁單元或殼單元或體單 元，地基土可用體單元，樁土之間可加面面接觸單元Targe170和contal174以模擬樁土之間的相互作用。梁和樁作為線彈性材料，土可作為D- P材料按彈塑性分析或可用E B材料以作非線性彈性分析。kd41。圖1-1高樁碼頭樁基與岸坡相互作用空間有限元模型平面有限元模型如圖1-2所示。計(jì)算模型寬度在碼頭前沿以前和后方堆場 可各取碼頭寬的2.5倍，計(jì)算模型深度可從碼頭面到樁端以下51

5、0米。橫梁和樁可用梁單元或平面單元，其模量和尺寸可按相似原理進(jìn)行換算。QRifi。不管空間還是平面模型，在計(jì)算模型范圍內(nèi)的原狀土，自重引起的應(yīng)力場 應(yīng)按初始應(yīng)力場考慮，ansyS提供了初應(yīng)力計(jì)算的功能，解決初應(yīng)力問題非常方 便。jzVLG。二、計(jì)算所用ANSYS鄧肯一張的E - B模型說明本算例是一個高樁碼頭樁基與岸坡相互作用的線性有限元和非線性有線元 分析，是一個平面計(jì)算的例子。本例的土體用鄧肯一張的 模型為非線性彈性模型，模量為Et。Hy8Z0E B模型模擬。E B 土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為雙曲線，如圖1-3所示。切線變形nEt Kpa1Pa切線泊松比卩按下式確定:2Rf( 13)(1 sin

6、)2ccos 2 3 sin(1 1)Et3(1 2 )(1 2)式中，K、KbP a(H)m(1 3)n 試驗(yàn)常數(shù)；Pa 大氣壓;B 體變模量；m 應(yīng)力指數(shù);大小主應(yīng)力;Kb 體積模量系數(shù);Rf 破壞比;凝聚力和內(nèi)摩擦角。63IMQ上述非線性彈性問題的有限元求解方法，可用增量法或迭代法。本例選用迭代法求解。ANSYS提供參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL可以方便用于按參數(shù)建模，也可以用來擴(kuò)展有限元的分析能力，創(chuàng)建各種控制方案。另外， ANSYS勺命令流也可 以有效控制和實(shí)現(xiàn)很多求解過程和求解方案。本例結(jié)合ANSY夠數(shù)化設(shè)計(jì)語言及 ANSYSP肯一張的E B模型來實(shí)現(xiàn)。29sok。三、計(jì)算有限元模型及計(jì)算

7、結(jié)果圖1-4為計(jì)算有限元模型，全用采用 ANSYS!動四邊形網(wǎng)格功能來劃分, 從而保證了較高的計(jì)算精度。LLEI1I13AN沁 6 L0O5 1血期： nr? wi. 1STE?-' rnn -1 TibLiBK r二曲鈾丄圖1-4高樁碼頭樁基與岸坡相互作用計(jì)算元模型AN址：Ur.c? m, 1圖1-5高樁碼頭樁基與岸坡相互作用變形圖ELEtME?' ：-' h 一 I _'一一 1- 一二 - -二丄二二二-一_ 芍；：廠題目二大圓筒結(jié)構(gòu)、波浪與地基的相互作用分析、用三維有限元模型計(jì)算大圓筒在外荷載（包括動荷載）作用下和地基相互作用問題，可按空間問 題求解?，F(xiàn)

8、以大圓筒在振動下沉?xí)r的動力分析為例闡述如下。ACm7u大圓筒求解有限元模型如圖 2-1所示。用六面體等參元模擬土基礎(chǔ)，用曲面殼體單元模擬鋼圓筒，用梁單元模擬鋼圓筒柱殼上的縱橫向加強(qiáng)肋，在大圓筒和基土之間設(shè)置接觸面單元以模擬筒體和地基的相互作用。CC2Lj。對瞬時動荷載采用時程積分的方法，將一個周期的荷載分為足夠多個時間 步（比如300步）進(jìn)行求解。圖2-2所示為大圓筒下沉到十六米時在 T= 11.5 秒時的豎向應(yīng)力云圖。zmxef。AN17!24:0" pTUT :ri.Ip-.I'圖2-1大圓筒有限元模型沖4 liRvnc*J7EP*35lfi -JS nHE.DLlfS

9、iiI牡幻frjfn-jDOCBV -詁祝*目SC-LELLi“MB-CU.U4AfiSV5*01 爭 SWi 1(- 1圖2-2大圓筒下沉到十六米時在T = 11.5秒時的豎向應(yīng)力云圖 大圓筒在側(cè)向荷載（如波浪力）作用下的傾復(fù)問題也可用上述空間模型求解。在側(cè)向荷載作用下，達(dá)到一定程度時，圓筒和土體之間的接觸單元會反映出 筒體和土體間的分離現(xiàn)象。FYyeko二、用三維有限元模型計(jì)算參考日本規(guī)范，大圓筒的位移和傾復(fù)問題，也可以用平面方法按如下模型 求解?？v向取單寬按平面問題計(jì)算，橫向?qū)挾菳可按縱向單元長度內(nèi)面積相等的原則確定。墻后土壓力按假想平面和庫侖極限主動土壓力計(jì)算，側(cè)向摩阻力由主動土 壓力

10、和土與墻背間摩擦角計(jì)算確定。筒底基土的剪切反力， 在ANSY上建立有限元模墻前水平土抗力通過設(shè)置非線性彈簧元經(jīng)非線性迭代計(jì)算確定。 筒底地基反力通過設(shè)置筒底豎向彈簧元經(jīng)計(jì)算確定； 通過設(shè)置筒底水平向彈簧元計(jì)算確定， 根據(jù)上述假定， 型如圖 2-3。 COfBc。圖2-3經(jīng)非線性迭代計(jì)算，得到土抗力和地基反力如圖2-4所示。位移圖見圖2-5，最大位移DMXf 10.7688cm。各關(guān)鍵點(diǎn)的位移如表一。表一關(guān)鍵點(diǎn)的位移關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移（cm）水平位移（cm）水平允許最大位移H * 1.5% （cm）筒頂2.88 （向下）7.41 （向外）< 29.25 （滿足要求）海底面2.84 （向下）5.

11、04 （向外）筒底前趾2.42 （向下）0.179 （向內(nèi)）筒底后趾1.73 （向下）0.566 （向外）DTSFLACn-Et-T?STETlSUB =1圖2-5位移云圖TlNEl LtK = Ob lore伽題目三（沖擊荷載下）強(qiáng)夯地基固結(jié)有限元分析（提供固結(jié)方程或固結(jié)方程處理 方案，孔隙水壓力消散計(jì)算方案、沉降計(jì)算方案及其他一些處理技巧）sOHyt。、計(jì)算說明本題目對強(qiáng)夯地基固結(jié)進(jìn)行有限元分析， 可采用ANSYstructure析模 塊來完成。圖3 1有限元模型及模型尺寸二、計(jì)算有限元模型及邊界條件圖3 2沖擊荷載加載圖三、強(qiáng)夯地基固結(jié)計(jì)算LiX -i D .一丄 v ' 11r

12、；a =r no£. ： it-o?i' £bl 量-cr圖3 3沖擊荷載作用下的變形圖圖3 6動荷載末時的孔隙水壓力增量U云圖£TfP=l5UB小T.IHE-LSEQVCAVG?昭 *.7£1E 0?£也=1LJ591Al AL?7l5052L337'7L：6；0210tiU65e35'£4Z625的 WS圖3 4沖擊荷載作用下的等效應(yīng)力云圖根據(jù)Skempton土力學(xué)計(jì)算公式，每一個荷載增量導(dǎo)致的孔隙水壓力的增量可用式(3-1)表示：u B3 A(3) , B 1,A 1/3(3-1)根據(jù)上式(3-1)，采用

13、ANSY創(chuàng)計(jì)算得到動載作用下孔隙水壓力增量。圖3-5動荷載末時的孔隙水壓力增量u云圖由式：U u0U gh(3 2)可計(jì)算得到孔隙水壓力的分布,如下圖所示。動荷載末時的孔隙水壓力 U云圖孔隙水壓力與水頭的關(guān)系可用式（3 3）表示，圖3 8為沖擊荷載作用末 時水頭分布云圖。(3 3)訂歸-J 那;T - 7LHE J31 -?=5空=ir£4 竊；Ml»»一XAf liJ -IjOS1 ?嘰咚1門】川I口*1: 口壯叭沖L0 令E二協(xié)L d和 也R*Fyk圖3 8沖擊載荷末時水頭圖 310 1 天后各點(diǎn)水頭分布 圖 311 4 天后各點(diǎn)水頭分布 圖 3 14 20

14、天后各點(diǎn)水頭分布 圖 3 15 30 天后各點(diǎn)水頭分布 圖 316 50 天后各點(diǎn)水頭分布 圖 3 17 60 天后各點(diǎn)水頭分布圖3- 1865天后各點(diǎn)水頭分布圖3- 19100天后各點(diǎn)水頭分布為了得到在沖擊載荷作用下孔隙水壓力的消散過程，如圖3-21圖3-23所示分別畫出了圖3-20所示3個點(diǎn)的孔隙水壓力U隨時間的變化曲線。YXz4qANSYS巖土計(jì)算例子4.60E+04力壓水隙孔4.50E+044.40E+044.30E+044.20E+044.10E+04/I nncj.n/1-2.00E+060.00E+002.00E+064.00E+066.00E+068.00E+061.00E+0

15、7時間（秒）圖3-21第1個監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力U隨時間的消散過程時間（秒）力壓水隙孔圖3-22第2個監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力 U隨時間的消散過程)P力壓水隙孔0.00E+1.00E+2.00E+3.00E+4.00E+5.00E+6.00E+ 7.00E+8.00E+9.00E+0006 06 06 06 06 06 06 06 06時間（秒）圖3-23第3個監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力 U隨時間的消散過程題目四:0 ZOjMa。在降雨情況下土工格柵加筋土擋墻邊坡上公路穩(wěn)定分析（由上至下為公路 面層，墊層，擋墻，擋墻面板采用預(yù)制混凝土塊 0.6 0.6 0.6m3,混凝土后方為 鉤掛式土工格柵，邊坡比較陡，邊坡有一

16、定排水特性）、計(jì)算說明題目四是一滲流-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算問題。而 ANSYS具有功能強(qiáng)大的滲流-結(jié) 構(gòu)耦合計(jì)算功能。下面是針對題目四，采用ANSYS所完成的：在降雨情況下土工 格柵加筋土擋墻邊坡上公路穩(wěn)定分析。zKk4q。二、計(jì)算幾何模型和有限元模型以下各圖分別是計(jì)算模型及有關(guān)尺寸、材料的說明圖4-1計(jì)算幾何模型10m圖4-2計(jì)算模型尺寸及有關(guān)材料ANKJTi 1.（呼10"l ： X ：圖4-3滲流-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算有限元模型該壩體結(jié)構(gòu)共有六種材料，上圖 4-3中分別用不同顏色表示結(jié)構(gòu)不同的材 料。三、計(jì)算結(jié)果1、計(jì)算邊界條件7X脈：PJUHjmr Li JLHJ5LD皿曲恪W加詼上抽弟邊我邯雋怙況析圖4-4滲流-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算有限元模型以上是邊坡路基在降雨情況下穩(wěn)定分析邊界條件說明。除了考慮降雨，同 時路基兩側(cè)考慮了 10m常水頭的作用。2、計(jì)算結(jié)果F雨情況下壓力水頭等值云圖F雨情況下孔隙水壓力汎R -1riKE-25 啣'AVG.irw;二川何“3Hj -xmJ MX -HilHJlT 12 2aCi5 llj4527&nt2&92222b3122394012 JOF雨情況下結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖f9TM3o同時，為了對下雨和無雨情