第4章ANSYS邊坡工程應用實例分析 (1)

1、第4章 ANSYS邊坡工程應用實例分析第4章 ANSYS邊坡工程應用實例分析本章重點 邊坡工程概述 ANSYS邊坡穩(wěn)定性分析步驟 ANSYS邊坡穩(wěn)定性實例分析本章典型效果圖4.1 邊坡工程概述4.1.1 邊坡工程邊坡指地殼表部一切具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，是坡面、坡頂及其下部一定深度坡體的總稱。坡面與坡頂面下部至坡腳高程的巖體稱為坡體。傾斜的地面稱為斜坡，鐵路、公路建筑施工中，所形成的路堤斜坡稱為路堤邊坡；開挖路塹所形成的斜坡稱為路塹邊坡；水利、市政或露天煤礦等工程開挖施工所形成的斜坡也稱為邊坡；這些對應工程就稱為邊坡工程對邊坡工程進行地質(zhì)分類時，考慮了下述各點。首先，按其物質(zhì)組成，即按組成邊坡

2、的地層和巖性，可以分為巖質(zhì)邊坡和土質(zhì)邊坡(后者包括黃土邊坡、砂土邊坡、土石混合邊坡)。地層和巖性是決定邊坡工程地質(zhì)特征的基本因素之一，也是研究區(qū)域性邊坡穩(wěn)定問題的主要依據(jù).其次，再按邊坡的結(jié)構(gòu)狀況進行分類。因為在巖性相同的條件下，坡體結(jié)構(gòu)是決定邊坡穩(wěn)定狀況的主要因素，它直接關(guān)系到邊坡穩(wěn)定性的評價和處理方法。最后，如果邊坡已經(jīng)變形，再按其主要變形形式進行劃分。即邊坡類屬的稱謂順序是:巖性 結(jié)構(gòu)變形。邊坡工程對國民經(jīng)濟建設有重要的影響：在鐵路、公路與水利建設中，邊坡修建是不可避免的，邊坡的穩(wěn)定性嚴重影響到鐵路、公路與水利工程的施工安全、運營安全以及建設成本。在路堤施工中，在路堤高度一定條件下，坡角

3、越大，路基所占面積就越小，反之越大。在山區(qū)，坡角越大，則路堤所需填方量越少。因此，很有必要對邊坡穩(wěn)定性進行分析，4.1.2 邊坡變形破壞基本原理4.1.2.1 應力分布狀態(tài)邊坡從其形成開始，就處于各種應力作用(自重應力、構(gòu)造應力、熱應力等)之下。在邊坡的發(fā)展變化過程中，由于邊坡形態(tài)和結(jié)構(gòu)的不斷改變以及自然和人為營力的作用，邊坡的應力狀態(tài)也隨之調(diào)整改變。根據(jù)資料及有限元法計算，應力主要發(fā)生以下變化：（1)巖體中的主應力跡線發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，邊坡坡面附近最大主應力方向和坡而平行，而最小主應力方向則與坡面近于垂直，并開始出現(xiàn)水平方向的剪應力，其總趨勢是由內(nèi)向外增多，愈近坡腳愈高，向坡內(nèi)逐漸恢復到原始應力

4、狀態(tài)。(2) 在坡腳逐漸形成明顯的應力集中帶。邊坡愈陡，應力集中愈嚴重，最大最小主應力的差值也愈大。此外，在邊坡下邊分別形成切向應力減弱帶和水平應力緊縮帶，而在靠近邊坡的表部所測得的應力值均大于按上覆巖體重量計算的數(shù)值。(3) 邊坡坡面巖體由于側(cè)向應力近于零，實際上變?yōu)閮上蚴芰ΑＴ谳^陡邊坡的坡面和頂面，出現(xiàn)拉應力，形成拉應力帶.拉應力帶的分布位置與邊坡的形狀和坡面的角度有關(guān)。邊坡 應力的調(diào)整和拉應力帶的出現(xiàn)，是邊坡變形破壞最初始的征兆。例如，由于坡腳應力的集中，常是坡腳出現(xiàn)擠壓破碎帶的原因；由于坡面及坡頂出現(xiàn)拉應力帶，常是表層巖體松動變形的原因。4.1.2.2 邊坡巖體變形破壞基本形式邊坡在復

5、雜的內(nèi)外地質(zhì)營力作用下形成，又在各種因素作用下變化發(fā)展。所有邊坡都在不斷變形過程中，通過變形逐步發(fā)展至破壞。其基本變形破壞形式主要有:松弛張裂、滑動、崩塌、傾倒、蠕動和流動。4.1.3 影響邊坡穩(wěn)定性的因案影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素有:(1)邊坡材料力學特性參數(shù)：包括彈性模量、泊松比、摩擦角、粘結(jié)力、容重、抗剪強度等參數(shù)。(2)邊坡的幾何尺寸參數(shù)：包括邊坡高度、坡面角和邊坡邊界尺寸以及坡面后方坡體的幾何形狀，即坡體的不連續(xù)面與開挖面的坡度及方向之間的幾何關(guān)系，它將確定坡體的各個部分是否滑動或塌落。(3)邊坡外部荷載： 包括地震力、重力場、滲流場、地質(zhì)構(gòu)造地應力等。4.1.4 邊坡穩(wěn)定性的分析方法

6、分析邊坡穩(wěn)定問題，基本上可以分為兩種方法：極限平衡方法和數(shù)值分析方法。4.1.4.1 極限平衡方法極限平衡方法的基本思想是:以摩爾一庫侖抗剪強度理論為基礎，將滑坡體劃分成若干垂直條塊，建立作用在垂直條塊上的力的平衡方程式，求解安全系數(shù)。這種計算分析方法遵循下列基本假定: (1)遵循庫侖定律或由此引伸的準則。(2)將滑體作為均質(zhì)剛性體考慮，認為滑體本身不變形，且可以傳遞應力。因此只研究滑動面上的受力大小，不研究滑體及滑床內(nèi)部的應力狀態(tài)。(3)將滑體的邊界條件大大簡化。如將復雜的滑體型態(tài)簡化為簡單的幾何型態(tài)；將滑面簡化為圓弧面、平面或折面；一般將立體問題簡化為平面問題，取沿滑動方向的代表性剖面，以

7、表征滑體的基本型態(tài)；將均布力簡化為集中力，有時還將力的作用點簡化為通過滑體重心。極限平衡方法包括以下幾種方法：(1)瑞典圓弧滑動法(2)簡化逼肖普法(3)簡布普通條分法(4)摩根斯坦-普賴斯法(5)不平衡推力傳遞法以上各種方法都是假定土體是理想塑性材料，把土條作為一個剛體，按照極限平衡的原則進行力的分析，最大的不同之處在于對相鄰上條之間的內(nèi)力作何種假定，也就是如何增加已知條件使超靜定問題變成靜定問題。這些假定的物理意義不一樣，所能滿足的平衡條件也不相同，計算步驟有繁有簡，使用時必須注意他們的適用場合。極限平衡方法關(guān)鍵是對滑體的休型和滑面的形態(tài)進行分析、正確選用滑面的計算參數(shù)以及正確引用滑體的荷

8、載條件等。因為極限平衡方法完全不考慮土體本身的應力-應變關(guān)系，不能真實地反映邊坡失穩(wěn)時的應力場和位移場，因此而受到質(zhì)疑。4.1.4.2 數(shù)值分析方法數(shù)值數(shù)值分析方法考慮土體應力應變關(guān)系，克服了極限平衡方法完全不考慮土體本身的應力-應變關(guān)系缺點，為邊坡穩(wěn)定分析提供了較為正確和深入的概念。邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析方法主要包含以下幾種方法：(1)有限元法有限單元法是數(shù)值模擬方法在邊坡穩(wěn)定評價中應用最早的方法，也是目前最廣泛使用的一種數(shù)值方法，可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題。目前 用有限元法求解邊坡穩(wěn)定主要有兩種方法。a.有限元滑面搜索法:將邊坡體離散為有限單元格，按照施加的荷載及邊界條件

9、進行有限元計算可得到每個結(jié)點的應力張量。然后假定一個滑動面，用有限元數(shù)據(jù)給出滑動面任一點的向正應力和剪應力，根據(jù)摩爾一庫侖準則可得該點的抗滑力，由此即能求得滑動面上每個結(jié)點的下滑力與抗滑力，再對滑動面上下滑力與抗滑力進行積分，就可以求得每一個滑動面的安全系數(shù)。b.有限元強度折減法:首先選取初始折減系數(shù)，將巖土體強度參數(shù)進行折減，將折減后的參數(shù)作為輸入，進行有限元計算，若程序收斂，則巖土體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，然后再增加折減系數(shù)，直到程序恰好不收斂，此時的折減系數(shù)即為穩(wěn)定或安全系數(shù)。(2)自適應有限元法自20世紀70年代開始自適應理論被引入有限元計算，主導思想是減少前處理工作量和實現(xiàn)網(wǎng)格離散的客觀控制

10、。現(xiàn)已基本建立了一般彈性力學、流體動力學、滲流分析等領域的平面自適應分析系統(tǒng)，能使計算較為快速和準確。(3)離散單元法離散單元法的突出功能是它在反映巖塊之間接觸面的滑移、分離與傾翻等大位移的同時，又能計算巖塊內(nèi)部的變形與應力分布。因此，任何一種巖體材料都可引入到模型中，例如彈性、粘彈性或斷裂等均可考慮，故該法對塊狀結(jié)構(gòu)、層狀破裂或一般破裂結(jié)構(gòu)巖體邊坡比較合適。并且，它利用顯式時間差分法(動態(tài)差分法)求解動力平衡方程，求解非線性大位移與動力問題比較容易。離散元法在模擬過程中考慮了邊坡失穩(wěn)破壞的動態(tài)過程，允許巖土體存在滑動、平移、轉(zhuǎn)動和巖體的斷裂及松散等復雜過程，具有宏觀上的不連續(xù)性和單個巖塊休運

11、動的隨機性，可以較真實、動態(tài)地模擬邊坡在形成和開挖過程中應力、位移和狀態(tài)的變化，預測邊坡的穩(wěn)定性，因此在巖質(zhì)高邊坡穩(wěn)定性的研究中得到廣泛的應用。(4)拉格朗日元法為了克服有限元等方法不能求解大變形問題的缺陷，人們根據(jù)有限差分法的原理，提出了FLAC數(shù)值分析方法。該方法較有限元法能更好地考慮巖土體的不連續(xù)和大變形特性，求解速度較快。缺點是計算邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶有很大的隨意性。(5)界面元法界面元法是一種基于累積單元變形于界面的界面應力元法模型，建立適用于分析不連續(xù)、非均勻、各向異性和各類非線性問題、場問題，以及能夠完全模擬各類錨桿復雜空間布局和開挖擾動的方法。4.1.4.3 有限元法用于邊坡

12、穩(wěn)定性分析優(yōu)點 有限元法考慮了介質(zhì)的變形特征，真實地反應了邊坡的受力狀態(tài)。它可以模擬連續(xù)介質(zhì)，也可以模擬不連續(xù)介質(zhì)；能考慮邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面的破壞，也能分析邊坡的整體穩(wěn)定破壞。有限元法可以模擬邊坡的圓弧滑動破壞和非圓弧滑動破壞。同時它還能適應各種邊界條件和不規(guī)則幾何形狀，具有很廣泛的適用性。有限元法應用于邊坡工程，有其獨特的優(yōu)越性。與一般解析方法相比，有限元法有以下優(yōu)點：(1) 它考慮了巖體的應力-應變關(guān)系，求出每一單元的應力與變形，反映了巖體真實工作狀態(tài)。(2)與極限平衡法相比，不需要進行條間力的簡化，巖體自始至終處于平衡狀態(tài)。(3)不需要像極限平衡法一樣事先假定邊坡的滑動面，邊坡的變形特性、

13、塑性區(qū)形成都根據(jù)實際應力應變狀態(tài)“自然”形成。(4)若巖體的初始應力己知，可以模擬有構(gòu)造應力邊坡的受力狀態(tài)。(5)不但能像極限平衡法一樣模擬邊坡的整體破壞，還能模擬邊坡的局部破壞，把邊坡的整體破壞和局部破壞納入統(tǒng)一的體系。(6)可以模擬邊坡的開挖過程，描述和反應巖體中存在的節(jié)理裂隙、斷層等構(gòu)造面。鑒于有限元法具有如此多優(yōu)點，本章借助通用有限元軟件ANSYS來實現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性分析，用具體的邊坡工程實例詳細介紹應用ANSYS軟件分析邊坡穩(wěn)定性問題。4.2 ANSYS邊坡穩(wěn)定性分析步驟ANSYS邊坡穩(wěn)定性分析一般分以下幾個步驟：1、創(chuàng)建物理環(huán)境2、建立模型，劃分網(wǎng)格，對模型的不同區(qū)域賦予特性3、加邊

14、界條件和載荷4、求解5、后處理（查看計算結(jié)果）4.2.1創(chuàng)建物理環(huán)境在定義邊坡穩(wěn)定性分析問題的物理環(huán)境時，進入ANSYS前處理器，建立這個邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)學仿真模型。按照以下幾個步驟來建立物理環(huán)境：1、 設置GUT菜單過濾如果你希望通過GUI路徑來運行ANSYS，當ANSYS被激活后第一件要做的事情就是選擇菜單路徑：Main Menu>Preferences，執(zhí)行上述命令后，彈出一個如圖4-1所示的對話框出現(xiàn)后，選擇Structural。這樣ANSYS會根據(jù)你所選擇的參數(shù)來對GUI圖形界面進行過濾，選擇Structural以便在進行邊坡穩(wěn)定性分析時過濾掉一些不必要的菜單及相應圖形界面。

15、2、 定義分析標題（TITLE）在進行分析前，可以給你所要進行的分析起一個能夠代表所分析內(nèi)容的標題，比如“Slope stability Analysis”，以便能夠從標題上與其他相似物理幾何模型區(qū)別。用下列方法定義分析標題。命令：TITLEGUI：Utility Menu>File>Change Title3、 說明單元類型及其選項（KEYOPT選項）與ANSYS的其他分析一樣，也要進行相應的單元選擇。ANSYS軟件提供了100種以上的單元類型，可以用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料，各種不同的單元組合在一起，成為具體的物理問題的抽象模型。例如，不同材料屬性的邊坡土體用PLANE82

16、單元來模擬。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項（KEYOPTS），這些選項用以修正單元特性。例如，PLANE82有如下KEYOPTS：KEYOPT(2) 包含或抑制過大位移設置KEYOPT(3) 平面應力、軸對稱、平面應變或考慮厚度的平面應力設置KEYOPT(9) 用戶子程序初始應力設置設置單元以及其關(guān)鍵選項的方式如下：命令：ET KEYOPTGUI：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete圖 4-1 GUI圖形界面過濾4定義單位結(jié)構(gòu)分析只有時間單位、長度單位和質(zhì)量單位三個基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應當是這三個單位

17、組成的表達方式。如標準國際單位制下，時間是秒（s），長度是米（m），質(zhì)量是千克（kg），則導出力的單位是kgm/s2（相當于牛頓N），材料的彈性模量單位是kg/ms2（相當于帕Pa）。命令：/UNITS5、定義材料屬性大多數(shù)單元類型在進行程序分析時都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定義各種材料的特性，如結(jié)構(gòu)材料屬性參數(shù)、熱性能參數(shù)、流體性能參數(shù)和電磁性能參數(shù)等。ANSYS程序可定義的材料特性有以下三種：（1）線性或非線性。（2）各向同性、正交異性或非彈性。（3）隨溫度變化或不隨溫度變化。因為分析的邊坡模型采用理想彈塑性模型（D-P模型），因此邊坡穩(wěn)定性分析中需要定義邊坡中不同土體的材料

18、屬性：容重、彈性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。命令：MPGUI：Main Menu>Preprocessor>Material Props>Material Models 或 Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Change Mat Props>Material Models進行邊坡穩(wěn)定性分析計算時，采用強度折減法來實現(xiàn)。首先選取初始折減系數(shù)F，然后對邊坡土體材料強度系數(shù)進行折減，折減后凝聚力以及摩擦角分別見式4-1和式4-2。 (4-1) (4-2)u 和為邊坡土體的初始凝聚力和摩擦角。u 對和進行

19、折減，輸入邊坡模型計算，若收斂，則此時邊坡是穩(wěn)定的；繼續(xù)增大折減系數(shù)F，直到程序恰好不收斂，此時的折減系數(shù)即為穩(wěn)定或安全系數(shù)。4.2.2 建立模型和劃分網(wǎng)格 創(chuàng)建好物理環(huán)境，就可以建立模型。在進行邊坡穩(wěn)定性分析時，需要建立模擬邊坡土體的PLANE82單元。在建立好的模型各個區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項、實常數(shù)和材料性質(zhì)等）以后，就可以劃分有限元網(wǎng)格了。通過GUI為模型中的各區(qū)賦予特性：1、選擇Main Menu> Preprocessor> Meshing> Mesh Attributes> Picked Areas2、點擊模型中要選定的區(qū)域。3、在對話框中

20、為所選定的區(qū)域說明材料號、實常數(shù)號、單元類型號和單元坐標系號。4、重復以上三個步驟，直至處理完所有區(qū)域。通過命令為模型中的各區(qū)賦予特性：ASEL（選擇模型區(qū)域）MAT （說明材料號）REAL（說明實常數(shù)組號）TYPE（指定單元類型號）ESYS（說明單元坐標系號） 4.2.3 施加約束和荷載在施加邊界條件和荷載時，既可以給實體模型（關(guān)鍵點、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點和單元）施加邊界條件和荷載。在求解時，ANSYS程序會自動將加到實體模型上的邊界條件和載荷轉(zhuǎn)遞到有限元模型上。邊坡穩(wěn)定性分析中，主要是給邊坡兩側(cè)和底部施加自由度約束。命令：D施加荷載包括自重荷載以及邊坡開挖荷載。4.2.4 求解

21、 接著就可以進行求解，ANSYS程序根據(jù)現(xiàn)有選項的設置，從數(shù)據(jù)庫獲取模型和載荷信息并進行計算求解，將結(jié)果數(shù)據(jù)寫入到結(jié)果文件和數(shù)據(jù)庫中。命令：SOLVEGUI：Main Menu>Solution>Solve> Current LS4.2.5 后處理 后處理的目的是以圖和表的形式描述計算結(jié)果。對于邊坡穩(wěn)定性分析中，進入后處理器后，查看邊坡變形圖和節(jié)點的位移、應力和應變。隨著強度折減系數(shù)的增大，邊坡的水平位移增大，塑性應變急劇發(fā)展，塑性區(qū)發(fā)展形成一個貫通區(qū)域時，計算不收斂，認為邊坡發(fā)生了破壞。通過研究位移、應變和塑性區(qū)域，來綜合判斷邊坡的穩(wěn)定性。命令：POST1GUI： Main

22、 Menu> General Postproc4.2.6 補充說明邊坡的失穩(wěn)破壞定義有很多種，對于采用彈塑性計算模型的邊坡，需要綜合考慮以下因素:（1）把有限元計算的收斂與否作為一個重要的衡量指標，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，計算收斂，邊坡破壞時，邊坡不收斂。（2）邊坡失穩(wěn)的同時還表現(xiàn)出位移急劇增加。 （3）邊坡失穩(wěn)總是伴隨著塑性變形的明顯增加和塑性區(qū)的發(fā)展，塑性區(qū)的發(fā)展狀況反映了邊坡是否處于穩(wěn)定狀態(tài)。此外，采用彈塑性有限元法進行計算，它具有獨特的優(yōu)勢：(1)彈塑性分析假定巖體為彈塑性材料，巖體在受力初期處于彈性狀態(tài)，達到一定的屈服準則后，處于塑性狀態(tài)。采用彈塑性模型更能反應巖體的實際工作狀態(tài)。(

23、2)巖體所承受的荷載超過材料強度時，就會出現(xiàn)明顯的滑移破壞面。因此，彈塑性計算不需要假定破壞面的形狀和位置，破壞面根據(jù)剪應力強度理論自動形成。當整個邊坡破壞時，就會出現(xiàn)明顯的塑性區(qū)。(3 )能綜合考慮邊坡的局部失穩(wěn)和整體失穩(wěn)破壞。4.3 ANSYS邊坡穩(wěn)定性實例分析4.3.1 實例描述圖4-2 邊坡模型邊坡實例選取國內(nèi)某礦，該邊坡考慮彈性和塑性兩種材料，邊坡尺寸如圖4-2所示。分析目的是對該邊坡進行穩(wěn)定性計算分析，以判斷其穩(wěn)定性和計算出安全系數(shù)，該邊坡圍巖材料屬性見表4-1。表4-1 邊坡模型圍巖參數(shù)類別彈性模量/Gpa泊松比容重/內(nèi)聚力/Mpa摩擦角（。）圍巖2（彈塑性）300.252500

24、0.942圍巖1（彈性）310.242700-對于像邊坡這樣縱向很長的實體，計算模型可以簡化為平面應變問題。假定邊坡所承受的外力不隨Z軸變化，位移和應變都發(fā)生在自身平面內(nèi)。對于邊坡變形和穩(wěn)定性分析，這種平面假設是合理的。實測經(jīng)驗表明，邊坡的影響范圍在2倍坡高范圍，因此本文計算區(qū)域為邊坡體橫向延伸2倍坡高，縱向延伸3倍坡高。兩側(cè)邊界水平位移為零，下側(cè)邊界豎向位移為零。彈性有限元的計算模型如圖4-2所示。采用雙層模型，模型上部為理想彈塑性材料，下部為彈性材料，左右邊界水平位移為零，下邊界豎向位移為零。u 雙層模型考慮土體的彈塑性變形，其塑性區(qū)的發(fā)展，應力的分布更符合實際情況。u 考慮雙層模型，塑性

25、區(qū)下部的單元可以產(chǎn)生一定的垂直變形和水平變形，基本消除了由于邊界效應在邊坡下部出現(xiàn)的塑性區(qū)，更好地模擬了邊坡的變形和塑性區(qū)的發(fā)展。4.3.2 GUI操作方法4.3.2.1 創(chuàng)建物理環(huán)境1) 在【開始】菜單中依次選取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher】，得到“10.0ANSYS Product Launcher”對話框。2）選中【File Management】，在“Working Directory”欄輸入工作目錄“D:ansysexample4-1”，在“Job Name”欄輸入文件名“Slope”。3）單擊“RUN”按鈕，進入ANSYS10

26、.0的GUI操作界面。4）過濾圖形界面：Main Menu> Preferences，彈出“Preferences for GUI Filtering”對話框，選中“Structural”來對后面的分析進行菜單及相應的圖形界面過濾。5）定義工作標題：Utility Menu> File> Change Title，在彈出的對話框中輸入“Slope stability Analysis”，單擊“OK”，如圖4-3。圖4-3 定義工作標題6）定義單元類型：a.定義PLANE82單元：Main Menu> Preprocessor> Element Type> A

27、dd/Edit/Delete，彈出一個單元類型對話框，單擊“Add”按鈕。彈出如圖4-4所示對話框。在該對話框左面滾動欄中選擇“Solid”，在右邊的滾動欄中選擇“Quad 8node 82”，單擊“Apply”，就定義了“PLANE82”單元。圖4-4 定義PLANE82單元對話框 b.設定PLANE82單元選項：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，彈出一個單元類型對話框，選中“Type 2 PLANE82”，單擊“Options”按鈕，彈出一個“PLANE82 element Type option

28、s”對話框，如圖4-5所示。在“Element behavior K3”欄后面的下拉菜單中選取“Plane strain”，其它欄后面的下拉菜單采用ANSYS默認設置就可以，單擊“OK”按鈕。圖4-5 PLANE82單元庫類型選項對話框u 通過設置PLANE82單元選項“K3”為“Plane strain”來設定本實例分析采取平面應變模型進行分析。因為邊坡是縱向很長的實體，故計算模型可以簡化為平面應變問題。u 8節(jié)點PLANE82單元每個節(jié)點有UX和UY兩個自由度，比4節(jié)點PLANE42單元具有更高的精確性，對不規(guī)則網(wǎng)格適應性更強。7）定義材料屬性a.定義邊坡圍巖1材料屬性：Main Menu

29、> Preprocessor> Material Props> Material Models，彈出“Define Material Model Behavior”對話框，如圖4-6所示。圖 4-6 定義材料本構(gòu)模型對話框 在圖4-6中右邊欄中連續(xù)雙擊“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又彈出如圖4-7所示“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”對話框，在該對話框中“EX”后面的輸入欄輸入“3E10”，在“PRXY” 后面的輸入欄輸入“0.25”，單擊

30、“OK”。再在選中“Density”并雙擊，彈出如圖4-8所示“Density for Material Number 1”對話框，在“DENS”后面的欄中輸入邊坡土體材料的密度“2500”，單擊“OK”按鈕。再次在圖4-6中右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural>Nonlinear> Inelastic>Non-metal plasticity>drucker-prager”后，又彈出一個如圖4-9所示對話框。在“Cohesion”欄添入邊坡圍巖材料1的內(nèi)聚力“0.9E6”，在“Fric Angle” 欄添入邊坡內(nèi)摩擦角“42”，單擊“OK”按鈕。 圖 4-7 線彈

31、性材料模型對話框 圖 4-8材料密度輸入對話框圖4-9 定義邊坡材料1DP模型對話框 b.定義邊坡圍巖2材料屬性：在圖4-6對話框中，單擊“Material> New Model”， 彈出一個“Define Material ID”對話框，在“ID”欄后面輸入材料編號“2”，單擊“OK”按鈕。彈出一個定義材料模型對話框?qū)υ捒?，選中“Material Model Number 2”，和定義邊坡圍巖1材料一樣，在右邊的欄中連續(xù)雙擊“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后，又彈出一個“Linear Isotropic Propertie

32、s for Material Number 2”對話框，在該對話框中“EX”后面的輸入欄輸入“3.2E10”，在“PRXY” 后面的輸入欄輸入“0.24”，單擊“OK”。再選中“Density”并雙擊，彈出一個“Density for Material Number 2”對話框，在“DENS”后面的欄中輸入隧道圍巖材料的密度“2700”，再單擊“OK”按鈕，彈出一個定義材料模型對話框。 c.復制邊坡圍巖1材料性質(zhì)：在圖4-6對話框中，用鼠標點擊“Edit>copy.”，彈出一個“Copy Material Model”對話框，如圖4-10所示。在“from Material number

33、”欄后面的下拉菜單中選取“1”，在“TO Material number”欄后面輸入“3”，單擊“Apply”按鈕。又彈出如土4-10所示對話框，然后依次在“TO Material number”欄后面輸入“4”、“5”、“6”、“7”、“8”“9”、“10”，“11”、“12”、“13”，每輸入一個數(shù)，就單擊“Apply”按鈕一次。圖 4-10 復制本構(gòu)模型對話框 最后得到10個復制圍巖1的邊坡材料本構(gòu)模型，如圖4-11所示。圖4-11 定義強度折減后材料模型對話框圖4-12 定義強度折減系數(shù)F=1.2時圍巖材料對話框d.定義10個強度折減后材料本構(gòu)模型：首先定義強度折減系數(shù)F=1.2后邊坡

34、圍巖材料模型，在圖4-11對話框中，在鼠標依次雙擊“Material Model Number 3/Drucper-Prager”。彈出一個“Drucker- Prager Material Number 3”，如圖4-12所示，在“Cohesion”欄添入強度折減系數(shù)F=1.2后邊坡圍巖材料1的內(nèi)聚力“0.75E6”，在“Fric Angle” 欄添入折減后邊坡內(nèi)摩擦角“37.7”，單擊“OK”按鈕。用相同方法定義強度折減系數(shù)分別為：F=1.4、F=1.6、F=1.8、F=2.0、F=2.2、F=2.4、F=2.6、F=2.8、F=3.0的邊坡圍巖材料本構(gòu)模型。u 定義強度折減后本構(gòu)模型目的

35、是為了分析邊坡穩(wěn)定性。u 強度折減就是降低內(nèi)聚力和摩擦角，根據(jù)式4-1和式4-2進行折減。4.3.2.2 建立模型和劃分網(wǎng)格1）創(chuàng)建邊坡線模型a.輸入關(guān)鍵點：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Keypoints>In Active CS，彈出“Creae Keypoints in Active Cooedinate System”對話框，如圖4-13所示。在“NPT keypoint number”欄后面輸入“1”，在“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（0，0，0）”，單擊“Ap

36、ply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了關(guān)鍵點1。再依次重復在“NPT keypoint number”欄后面輸入“2、3、4、5、6、7、8、9”，在對應“X，Y，Z Location in active CS”欄后面輸入“（-800，0，0）、（-800，-800，0）、（-800，-1200，0）、（1200，-1200，0）、（1200，-800，0）、（1200，0，0）、（1200，378，0）、（430，378，0），最后單擊“OK”按鈕。圖4-13在當前坐標系創(chuàng)建關(guān)鍵點對話框b.創(chuàng)建邊坡線模型：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Creat

37、e>Lines>Straight line，彈出“Creae straight lines”對話框，用鼠標依次點擊關(guān)鍵點1、2，單擊“Apply”按鈕，這樣就創(chuàng)建了直接L1，同樣分別連接關(guān)鍵點“2、3”，“3、4”，“4、5”，“5、6”，“6、7”，“7、4”，“7、8”，“8、9”，“9、1”，“9、2”，最后單擊“OK”按鈕，就得到邊坡線模型，如圖4-14所示。圖4-14 邊坡線模型3）創(chuàng)建邊坡面模型a.打開面編號顯示：Utility Menu> PlotCtrls> Numbering，彈出“Plot Numbering Controls”對話框，如圖4-15所

38、示。選中“Aares Numbers” 選項，后面的文字由“off”變?yōu)椤皁n”,單擊“OK”關(guān)閉窗口。圖4-15 打開面編號對話框圖4-16 邊坡面模型b.創(chuàng)建邊坡面模型：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Create>Areas> Arbitrary> by line，彈出一個“Create Area by lines”對話框，在圖形中選取線L4、L5、L3和L11，點擊“Apply ”按鈕，就生成了邊坡彈性材料區(qū)域面積A1；再依次用鼠標在圖形中選取線L1、L2、L6、L10、和L11，點擊“Apply ”按鈕，就生成

39、了邊坡塑性材料區(qū)域面積A2；再依次用鼠標在圖形中選取線L7、L8、L10和L9，點擊“OK ”按鈕，就生成了邊坡開挖掉區(qū)域面積A3。最后得到邊坡模型的面模型，如圖4-16所示。 4）劃分邊坡圍巖2單元網(wǎng)格 a. .給邊坡圍巖2賦予材料特性：Main Menu> Preprocessor> Meshing> MeshTool，彈出“MeshTool”對話框，如圖4-17所示。在“Element Attributes”后面的下拉式選擇欄中選擇“Areas”，按“Set”按鈕，彈出一個“Areas Attributes”面拾取框，在圖形界面上拾取邊坡圍巖2區(qū)域，單擊拾取框上的“OK

40、”按鈕，又彈出一個如圖4-18所示的“Areas Attributes”對話框，在“Material number”后面的下拉式選擇欄中選取“2”，在“Element type number ” 后面的下拉式選擇欄中選取“2 PLANE82”，單擊“Apply”。 圖4-17 網(wǎng)格劃分工具欄 圖4-18定義單元屬性對話框 b.設置網(wǎng)格劃分份數(shù)：在圖4-17工具欄中“Size Control”欄，用鼠標點擊“l(fā)ines”后面的“Set”，彈出一個選擇對話框，用鼠標在圖形選擇線L3和L5。彈出一個“Element Sizes on Picked Lines”，對話框，如圖4-19所示，在“No o

41、f element division”欄后面輸入“5”，單擊“Apply”按鈕，再選擇線L4和L11，又彈出圖4-19對話框，在“No of element division”欄后面輸入“26”，單擊“OK”按鈕。c.劃分單元網(wǎng)格：在圖4-17網(wǎng)格劃分工具欄中單擊“Mesh”按鈕，彈出一個拾取面積對話框，拾取面積A1，單擊拾取框上的“OK”按鈕，生成邊坡圍巖2單元網(wǎng)格。圖 4-19 設置網(wǎng)格份數(shù)對話框5）劃分邊坡圍巖1單元網(wǎng)格 圖4-20 選取線對話框 圖4-21 設置網(wǎng)格分數(shù)對話框a.設置網(wǎng)格份數(shù)：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cn

42、trls>ManualSize>Layers>Picked Lines，彈出一個“Set Layer Controls”對話框，如圖4-20所示，用鼠標選取線L1、L1和L6單擊“OK”按鈕。彈出一個“Area Layer Mesh Control on Picked lines”對話框，如圖4-21所示，在“No of line division”欄后面輸入“10”，單擊“OK”按鈕。相同方法設置線L8和L10分割份數(shù)為16；設置線L7和L9線的分割份數(shù)為12。 b. 給邊坡圍巖1賦予材料特性：Main Menu> Preprocessor> Meshing&g

43、t; MeshTool，彈出“MeshTool”對話框，如圖4-17所示。在“Element Attributes”后面的下拉式選擇欄中選擇“Areas”，按“Set”按鈕，彈出一個“Areas Attributes”面拾取框，在圖形界面上拾取面A2和A3，單擊拾取框上的“OK”按鈕，又彈出一個 “Areas Attributes”對話框，在“Material number”后面的下拉式選擇欄中選取“1”，在“Element type number ” 后面的下拉式選擇欄中選取“2 PLANE82”，單擊“Apply”。 c.劃分單元網(wǎng)格：在圖3-97網(wǎng)格劃分工具欄中單擊“Mesh”按鈕，彈出

44、一個拾取面積對話框，拾取圍巖，單擊拾取框上的“OK”按鈕，生成邊坡圍巖1單元網(wǎng)格。最后得到邊坡模型單元網(wǎng)格，如圖4-22所示。圖4-22 邊坡模型單元網(wǎng)格4.3.2.3 施加約束和荷載 1）給邊坡模型施加約束a.給邊坡模型兩邊施加約束：執(zhí)行Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Displacement>on Nodes，彈出在節(jié)點上施加位移約束對話框，用鼠標選取隧道模型兩側(cè)邊界上所有節(jié)點，單擊“OK”按鈕。彈出“Apply U,ROT on Nodes”對話框，如圖4-23所示，在“DOFS to

45、be constrained”欄后面中選取“UX”，在“Apply as”欄后面的下拉菜單中選取“Constant value”，在“Displacement value”欄后面輸入“0”值，然后單擊“OK”按鈕。 圖4-23 給模型兩側(cè)施加位移約束對話框 圖4-24 給模型底部施加位移約束對話框b.給模型底部施加約束：執(zhí)行Main Menu>Solution>Define Loads> Apply>Structural>Displacement>on Nodes，彈出在節(jié)點上施加位移約束對話框，用鼠標選取隧道模型底部邊界上所有節(jié)點，單擊“OK”按鈕。彈出圖

46、4-24所示對話框，在“DOFS to be constrained”欄后面中選取“UX、UY”，在“Apply as”欄后面的下拉菜單中選取“Constant value”，在“Displacement value”欄后面輸入“0”值，然后單擊“OK”按鈕。u 節(jié)點選擇，可以先選擇節(jié)點上線，再選擇附在線上的節(jié)點。 2）施加重力加速度：Main Menu>Solution>Define Loads>Apply>Structural>Inertia>Gravity，彈出“Apply(Gravitational)Acceleration”對話框，如圖4-25所示

47、。只需在“Global Cartesian Y-comp”欄后面輸入重力加速度值“9.8”就可以，單擊“OK”按鈕，就完成了重力加速度的施加。圖4-25 施加重力加速度對話框 這時就可以得到施加約束和重力加速度后隧道有限元模型，如圖4-25所示。圖4-25 施加約束和重力荷載后邊坡模型4.3.2.4 求解1）求解設置a.指定求解類型：Main Menu>Solution>Analysis Type>New Analysis，彈出一個如圖4-25所示對話框，在“Type of analysis”欄后面選中“Static”，單擊“OK”按鈕。圖4-25 指定求解類型對話框b.設置

48、載荷步： Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis Type>Sol'n Controls，彈出一個“Solution Controls”對話框，用鼠標單擊“Basic”選項，如圖4-26所示，在“Number of Substeps”欄后面輸入“5”，在“Max no. of substeps”欄后面輸入“100”，在“Min no. of substeps”欄后面輸入“1”，單擊“OK”按鈕。圖4-26設置載荷步對話框 c.設置線性搜索：Main Menu>Solution>Analysis Type>So

49、l'n Controls，彈出一個“Solution Controls”對話框，用鼠標單擊“Nonlinear”選項，如圖4-27所示，在“Line search”欄后面下拉菜單選中“ON”，單擊“OK”。圖4-27 設置線性搜索對話框 d. 設定牛頓-拉普森選項：Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options，彈出一個“Static or Steady-static Analysis”對話框，如圖4-28所示，在“New-Raphson option”欄后面下拉菜單選中“Full N-R”，單擊“OK”按鈕。圖4-

50、28 設定牛頓-拉普森選項e.打開大位移求解：Main Menu>Preprocessor>Loads>Analysis Type>Sol'n Controls>Basic，得到圖4-26所示對話框，在“Analysis Options”欄后面下拉菜單選中大位移“Large Displacement static”，單擊“OK”按鈕。f.設置收斂條件：Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Nonlinear>Convergence Crit，彈出一個“Default Nonli

51、near Convergence Criteria”，如圖4-29所示。圖中顯示ANSYS默認的收斂條件：分別設置了力和力矩的收斂條件。圖4-29 ANSYS默認收斂條件 為了使求解順利進行和得到較好解，可以修改默認收斂設置，可以分別設置力、力矩和位移收斂條件。單擊圖4-29中的“Replace”，彈出一個“Nonlinear Convergence Criteria”對話框，如圖4-30所示。在“Lab Convergence based on”欄后面第一欄中選中“Structural”，第二欄中選中“Force F”；在“TOLER Tolerance about value”欄后面輸入“

52、0.005”；在“NORM Convergence norm”欄后面下拉菜單選中“L2 norm”；在“MNREF Minimum reference value”后面欄中輸入“0.5”，單擊“OK”按鈕，這就設置好了求解時力收斂條件。圖4-30 設置力收斂條件對話框 單擊圖4-30對話框中“OK”按鈕后，彈出一個如圖4-31所示的對話框，單擊“Add”按鈕。彈出一個如圖4-31所示對話框，在“Lab Convergence based on”欄后面第一欄中選中“Structural”，第二欄中選中“Displacement U”；在“TOLER Tolerance about value”欄

53、后面輸入“0.05”；在“NORM Convergence norm”欄后面下拉菜單選中“L2 norm”；在“MNREF Minimum reference value”后面欄中輸入“1”，單擊“OK”按鈕，這就設置好了求解時力矩收斂條件。圖4-31 設置完力收斂條件對話框圖4-32 設置位移收斂條件對話框圖4-33 設置好求解收斂條件 最后得到設置好求解收斂條件，如圖4-33所示。2）邊坡在強度折減系數(shù)F=1時求解a.求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個求解選項信息和一個當前求解載荷步對話框，檢查信息無錯誤后，單擊“OK”

54、，開始求解運算，直到出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。b. 保存求解結(jié)果；Utility Menu> File> Save as，彈出一個“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“F1.db”，單擊“OK”。3）邊坡在強度折減系數(shù)F=1.2時求解a.折減邊坡強度：首先選擇需要折減單元，再執(zhí)行Main Menu>Solution>Load Step Opts>Other>Change Mat Props>Change Mat Num，彈出一個“Change Mat

55、erial Number”對話框，如圖4-34所示，在“New material number”欄后面輸入新材料號“3”，在“Element no. to be modified”欄后面輸入“ALL”，表示把剛才選定的單元材料該為3號材料，單擊“OK”按鈕。圖4-34 改變材料號對話框b.求解：Main Menu>Solution>Solve>Current LS，彈出一個求解選項信息和一個當前求解載荷步對話框，檢查信息無錯誤后，單擊“OK”，開始求解運算，直到出現(xiàn)一個“Solution is done”的提示欄，表示求解結(jié)束。c. 保存求解結(jié)果；Utility Menu&g

56、t; File> Save as，彈出一個“Save Database”對話框，在“Save Database to”下面輸入欄中輸入文件名“F1.2.db”，單擊“OK”。同理，依次對強度折減系數(shù)F=1.4、F=1.6、F=1.8、F=2.0、F=2.2、F=2.4、F=2.6、F=2.8、F=3.0進行求解，直到求解不收斂為止，并保存各次求解結(jié)果：F1.4.db、F1.6.db、F1.8.db、F2.0.db、F2.2.db、F2.4.db、F2.6.db、F2.8.db、F3.0.db。 當強度折減系數(shù)F=3.0時，求解不收斂，此時求解迭代力和位移不收斂過程如圖4-36所示。u 邊

57、坡穩(wěn)定性有限元分析一般采用強度折減方法來求得邊坡安全系數(shù)。u 強度折減根據(jù)式4-1和式4-2來進行折減。u 求解不收斂是判斷邊坡不穩(wěn)定的一個準則。圖4-35 F=2.8 求解收斂時迭代過程圖圖4-36 F=3.0求解迭代不收斂過程圖 4.3.2.5 后處理 伴隨強度折減系數(shù)的增加，邊坡的塑性應變增大，塑性區(qū)也隨之擴大，當塑性區(qū)發(fā)展成一個貫通區(qū)域，邊坡就不穩(wěn)定，此時求解也不收斂。與之同時，邊坡水平位移也變大。因此，主要通過觀察后處理中邊坡塑性應變、塑性區(qū)、位移和收斂來判斷邊坡穩(wěn)定性與否。 1）強度折減系數(shù)F=1時結(jié)果分析 a.讀入強度折減系數(shù)F=1時結(jié)果數(shù)據(jù)：Utility Menu> r

58、esume，彈出一個“Resume Database”對話框，選中剛才保存的文件“F1.db”，單擊“OK”按鈕。 b.繪制邊坡變形圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Deformed Shape，彈出一個“Plot Deform Shape”對話框，如圖4-37所示。選中“Def +undeformed”，單擊“OK”按鈕，得到邊坡變形圖，如圖4-39所示。圖4-37 繪制變形圖對話框4-38 節(jié)點解云圖繪制對話框 c.顯示邊坡X方向位移云圖：Main Menu>General Postproc>Plot Results>Conto