ANSYS在邊坡工程中應(yīng)用

1、巖土工程趙文剛0910202165Ansys邊坡工程應(yīng)用摘要：對(duì)于邊坡問(wèn)題而言，土體的屈服主要是由于剪切因素造成的，因而Mohr_column準(zhǔn)則 是最適用于邊坡問(wèn)題計(jì)算的，但ansys中針對(duì)土體的塑性屈服準(zhǔn)則只是DruckPragerz 準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則不太適用于邊坡問(wèn)題的計(jì)算，本次計(jì)算中將通過(guò)彈性模型來(lái)計(jì)算滑體的 位移和應(yīng)力場(chǎng)，然后通過(guò)定義單元表的形式將Mohr_Clumn引入，并對(duì)各個(gè)單元的屈 服狀態(tài)進(jìn)行判斷，從而得到滿足Mohr-Column準(zhǔn)則的邊坡塑性區(qū)分布圖。應(yīng)用于現(xiàn)代 邊坡治理。關(guān)鍵詞：邊坡工程；ansys應(yīng)用；邊坡是自然或人工形成的斜坡，為防止邊坡失穩(wěn)造成破壞，我國(guó)邊坡常采用改變

2、坡體幾 何形態(tài)、排水工程、擋墻、抗滑樁、攔石柵欄、坡面防護(hù)、植被防護(hù)、加筋土等技術(shù)提高邊 坡穩(wěn)定性。這些方法具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，在邊坡防護(hù)中發(fā)揮了重要作用，但也存在穩(wěn)定效 果欠佳、景觀效果差等缺點(diǎn)，近年來(lái)隨著建筑材料以及新技術(shù)的發(fā)明，上述邊坡治理技術(shù)不 斷得到改進(jìn)發(fā)展，并在實(shí)際工程中應(yīng)用，有效應(yīng)用于鐵路邊坡治理。目前，邊坡穩(wěn)定分析的理論和方法主要有3種：極限平衡理論，室內(nèi)模型研究和數(shù)值分 析理論。傳統(tǒng)的極限平衡法在計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性時(shí)，由于沒(méi)有考慮到土體內(nèi)部的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān) 系，所求出的安全系數(shù)只是假定滑坡面的平均安全度。又由于其工作狀態(tài)時(shí)虛擬的，求出的 土條間的滑面底部的反力，當(dāng)然不能代表土體在

3、產(chǎn)生滑移變形時(shí)真實(shí)存在的力，據(jù)此無(wú)法分 析邊坡破壞的發(fā)生，發(fā)展過(guò)程，當(dāng)然也就無(wú)法分析在降雨條件下邊坡破壞的發(fā)生，發(fā)展過(guò)程。隨著數(shù)值分析理論的成熟和電算技術(shù)的發(fā)展，有限元分析方法在邊坡的穩(wěn)定性分析中得 到越來(lái)越多的應(yīng)用。采用有限元分析方法的優(yōu)點(diǎn)主要包括：a）破壞面的形狀或位置不需要事先假定，破壞“自然地”發(fā)生在土的抗剪強(qiáng)度不能 抵抗剪應(yīng)力的地帶。b）由于有限元法引入變形協(xié)調(diào)的本構(gòu)關(guān)系，因此也不必引入假定條件，保持了嚴(yán)密 的理論體系。c）有限元解提供了應(yīng)力，變形的全部信息。除此之外，有限元方法還能夠考慮巖體的不連續(xù)性，巖體應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系的非線性特性 及力學(xué)性質(zhì)方面的各向異性；能夠計(jì)算巖體的彈性變形

4、狀態(tài)，也能夠計(jì)算巖體的破壞狀態(tài)； 不但可以考慮巖體中的地應(yīng)力或區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力條件，也可以考慮一些特定條件的作用與影 響，諸如地下水的滲流問(wèn)題，蠕變問(wèn)題等。1問(wèn)題描述某滑坡位于基巖上，且與基巖呈不規(guī)則弧形接觸。地質(zhì)勘測(cè)表明，在正常情況下， 該滑體基本上是穩(wěn)定的，但若受大型降雨的影響，隨著滑體飽和度的增加，滑體容重也會(huì)增 加，而滑體的粘聚力和內(nèi)摩擦角等物性參數(shù)將降低，因而滑體有可能出于不穩(wěn)定狀態(tài)，且滑 體的滑動(dòng)面最有可能產(chǎn)生在滑體與基巖的接觸面上，如下圖所示。本例將通過(guò)有限元計(jì)算分 析降雨對(duì)該滑體穩(wěn)定性的影響。圖1某邊坡示意圖其中基巖的物性參數(shù)如下：彈性模量E=20GPa,泊松比v=0.22,容重r

5、=26KN/m3滑體在正常狀態(tài)下的飽和度為16.4%，隨著降雨量的增加，飽和度也逐漸增加?；w物 性參數(shù)與飽和度的關(guān)系如下表1所示。表1滑體物性參數(shù)與飽和度的關(guān)系飽和度/ %16.435506580100E/GPa32.72.42.11.81.5C/KPa605552.551.250.850中/353331.53130.530Y（kN/m3）21.421.822.122.422.723.0為了減小邊界效應(yīng)對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，在有限元計(jì)算中取模型寬為 m，左邊界高煒 506m，右邊界高煒198m，如圖1所示。對(duì)于邊坡問(wèn)題而言，土體的屈服主要是由于剪切因素造成的，因而MohrColumn準(zhǔn)則 是最適

6、用于邊坡問(wèn)題計(jì)算的，但ANSYS中針對(duì)土體的塑性屈服準(zhǔn)則只有DruckPrager準(zhǔn) 則，該準(zhǔn)則不太適用于邊坡問(wèn)題的計(jì)算。本次計(jì)算將通過(guò)彈性模型來(lái)計(jì)算滑體的位移和應(yīng)力 場(chǎng)，然后通過(guò)定義單元表的形式將MohrColumn引入，并將對(duì)各個(gè)單元的屈服狀態(tài)進(jìn)行判 斷，從而得到滿足MohrColumn準(zhǔn)則的邊坡塑性區(qū)分布圖。2模型的建立互式方式啟動(dòng)ANSYS程序。設(shè)置工作路徑和文件名，定義分析類型，本次進(jìn)行 的有限元分析為結(jié)構(gòu)類，選中Structural(結(jié)構(gòu))復(fù)選項(xiàng)，同時(shí)，程序的求解方法采用h-method.進(jìn)入前處理器，定義該滑坡問(wèn)題的單元類型，本模型中只含有Plane42 一種單元， 由于本計(jì)算是

7、針對(duì)二維平面應(yīng)變問(wèn)題，因而需要將Plane42的KEYOPT(3)設(shè)置為2。定義模型中的材料參數(shù)，模型中包含7中材料，包括基巖和不同飽和度下的滑 坡材料參數(shù)。分別定義巖體泊松比，巖體密度，滑體初始參數(shù)，飽和度35%，50%，65%， 80%，100%的彈性模量，飽和度100%的泊松比，飽和度100%的密度。2,4建立幾何模型并劃分單元。由于模型的幾何形狀較為復(fù)雜，故采用自底向上的建 模方式，首先生成點(diǎn)，然后生成面，最后劃分單元。建立好的模型如下圖2載與求解載TYPE NUM所JUL 1 2U1010:28:32JUL 1 201(10:52:49PHJT ND.圖2某邊坡幾何模型圖邊坡幾何模型

8、建立好以后，按照平面三角形單元形式劃分網(wǎng)格。邊坡有限元模型如圖3某邊坡有限元模型3該邊坡模型的求解內(nèi)容主要包括兩個(gè)方面:一是求解自重固結(jié)力下的應(yīng)力和位移場(chǎng); 二是計(jì)算不同飽和度下的位移和應(yīng)力場(chǎng)。過(guò)程如下。3,1施加邊界條件，進(jìn)行求解設(shè)置，指定荷載子步為20,打開(kāi)大變形，設(shè)置成new-lapnace 迭代，啟用非線性求解預(yù)測(cè)器，啟用線性搜索。分別約束節(jié)點(diǎn)X,Y方向位移，選擇所 有元素后，施加重力加速度。3,2求解自重應(yīng)力場(chǎng)。3,3求解不同飽和度下的應(yīng)力和位移場(chǎng)。分別求解飽和度為35%，50%，65%，80%， 100%時(shí)的應(yīng)力和位移場(chǎng)。4計(jì)算結(jié)果分析4,1初始狀態(tài)下的邊坡穩(wěn)定性求解完成后，讀入第

9、一步計(jì)算結(jié)果，考查該邊坡在自重作用下的應(yīng)力，位移及剪應(yīng) 力和剪應(yīng)變的云圖。進(jìn)入通用后處理器，分別運(yùn)行入戲的命令：/postlset,1plnsol,s,y,0,1！初始狀態(tài)下的自重應(yīng)力場(chǎng)plnsol,u,y,0,1！初始狀態(tài)下的位移場(chǎng)plnsol,s,xy,0,1！初始狀態(tài)下的剪應(yīng)力plnsol,epto,xy,0,1！初始狀態(tài)下的剪應(yīng)變繪圖結(jié)果如圖4一圖7示NCDM SOLUTICNSTEFFI SOB =7 TIME1JUL 1 2010 10:43:46 PLOT NO. 1SY(AVG)RSYS=0MX =.149395SMN =-.116E+08SMX =-51606圖6初始狀態(tài)下的

10、剪應(yīng)力云圖/Pa4,2飽和水狀態(tài)下邊坡穩(wěn)定性采用Mohr-Column準(zhǔn)則對(duì)飽和水狀態(tài)下的塑性區(qū)分布進(jìn)行計(jì)算，其中飽和水狀態(tài)下 的物性參數(shù)為：C=50KPa，9=30。在飽水狀態(tài)下，該滑坡的塑性區(qū)分布如圖8所示。定程度上組織了滑體的進(jìn)一步發(fā)5 結(jié)語(yǔ)可以采用大變形彈塑性有限元極限塑性應(yīng)變分析法進(jìn)行滑坡穩(wěn)定性分析，得到滑坡接 近破壞狀態(tài)時(shí)滑坡體的極限塑性應(yīng)變破壞區(qū),然后據(jù)此確定滑坡的滑動(dòng)面，并根據(jù)極限狀態(tài)下 塑性應(yīng)變值的大小確定滑面不同抗剪強(qiáng)度取值段。野外工程地質(zhì)勘探揭示，采用大變形彈塑性有限元極限塑性應(yīng)變分析法確定碎石土滑 坡的潛在滑動(dòng)面與實(shí)際滑動(dòng)面基本吻合。采用全面考慮滑面上巖土體抗剪強(qiáng)度不同發(fā)揮程度的不平衡推力法可以更加精確地 計(jì)算碎石