ANSYS边坡综合项目工程应用实例分析

第4章ANSYS边坡工程应用实例分析本章重点边坡工程概述ANSYS边坡稳定性分析环节ANSYS边坡稳定性实例分析本章典型效果图4.1边坡工程概述4.1.1边坡工程边坡指地壳表部一切具备侧向临空面地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体总称。坡面与坡顶面下部至坡脚高程岩体称为坡体。倾斜地面称为斜坡，铁路、公路建筑施工中，所形成路堤斜坡称为路堤边坡；开挖路堑所形成斜坡称为路堑边坡；水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成斜坡也称为边坡；这些相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。一方面，按其物质构成，即按构成边坡地层和岩性，可以分为岩质边坡和土质边坡(后者涉及黄土边坡、砂土边坡、土石混合边坡)。地层和岩性是决定边坡工程地质特性基本因素之一，也是研究区域性边坡稳定问题重要根据.另一方面，再按边坡构造状况进行分类。由于在岩性相似条件下，坡体构造是决定边坡稳定状况重要因素，它直接关系到边坡稳定性评价和解决办法。最后，如果边坡已经变形，再按其重要变形形式进行划分。即边坡类属称谓顺序是:岩性—构造—变形。边坡工程对国民经济建设有重要影响：在铁路、公路与水利建设中，边坡修建是不可避免，边坡稳定性严重影响到铁路、公路与水利工程施工安全、运营安全以及建设成本。在路堤施工中，在路堤高度一定条件下，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。因而，很有必要对边坡稳定性进行分析，4.1.2边坡变形破坏基本原理4.1.2.1应力分布状态边坡从其形成开始，就处在各种应力作用(自重应力、构造应力、热应力等)之下。在边坡发展变化过程中，由于边坡形态和构造不断变化以及自然和人为营力作用，边坡应力状态也随之调节治变。依照资料及有限元法计算，应力重要发生如下变化：（1)岩体中主应力迹线发生明显偏转，边坡坡面附近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，并开始浮现水平方向剪应力，其总趋势是由内向外增多，愈近坡脚愈高，向坡内逐渐恢复到原始应力状态。(2)在坡脚逐渐形成明显应力集中带。边坡愈陡，应力集中愈严重，最大最小主应力差值也愈大。此外，在边坡下边分别形成切向应力削弱带和水平应力紧缩带，而在接近边坡表部所测得应力值均不不大于按上覆岩体重量计算数值。(3)边坡坡面岩体由于侧向应力近于零，事实上变为两向受力。在较陡边坡坡面和顶面，浮现拉应力，形成拉应力带.拉应力带分布位置与边坡形状和坡面角度关于。边坡应力调节和拉应力带浮现，是边坡变形破坏最初始征兆。例如，由于坡脚应力集中，常是坡脚浮现挤压破碎带因素；由于坡面及坡顶浮现拉应力带，常是表层岩体松动变形因素。4.1.2.2边坡岩体变形破坏基本形式边坡在复杂内外地质营力作用下形成，又在各种因素作用下变化发展。所有边坡都在不断变形过程中，通过变形逐渐发展至破坏。其基本变形破坏形式重要有:松弛张裂、滑动、崩塌、倾倒、蠕动和流动。4.1.3影响边坡稳定性因案影响边坡稳定性重要因素有:(1)边坡材料力学特性参数：涉及弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数。(2)边坡几何尺寸参数：涉及边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及坡面后方坡体几何形状，即坡体不持续面与开挖面坡度及方向之间几何关系，它将拟定坡体各个某些与否滑动或塌落。(3)边坡外部荷载：涉及地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等。4.1.4边坡稳定性分析办法分析边坡稳定问题，基本上可以分为两种办法：极限平衡办法和数值分析办法。4.1.4.1极限平衡办法极限平衡办法基本思想是:以摩尔一库仑抗剪强度理论为基本，将滑坡体划提成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上力平衡方程式，求解安全系数。这种计算分析办法遵循下列基本假定：(1)遵循库仑定律或由此引伸准则。(2)将滑体作为均质刚性体考虑，以为滑体自身不变形，且可以传递应力。因而只研究滑动面上受力大小，不研究滑体及滑床内部应力状态。(3)将滑体边界条件大大简化。如将复杂滑体型态简化为简朴几何型态；将滑面简化为圆弧面、平面或折面；普通将立体问题简化为平面问题，取沿滑动方向代表性剖面，以表征滑体基本型态；将均布力简化为集中力，有时还将力作用点简化为通过滑体重心。极限平衡办法涉及如下几种办法：(1)瑞典圆弧滑动法(2)简化逼肖普法(3)简布普通条分法(4)摩根斯坦-普赖斯法(5)不平衡推力传递法以上各种办法都是假定土体是抱负塑性材料，把土条作为一种刚体，按照极限平衡原则进行力分析，最大不同之处在于对相邻上条之间内力作何种假定，也就是如何增长已知条件使超静定问题变成静定问题。这些假定物理意义不同样，所能满足平衡条件也不相似，计算环节有繁有简，使用时必要注意她们合用场合。极限平衡办法核心是对滑体休型和滑面形态进行分析、对的选用滑面计算参数以及对的引用滑体荷载条件等。由于极限平衡办法完全不考虑土体自身应力-应变关系，不能真实地反映边坡失稳时应力场和位移场，因而而受到质疑。4.1.4.2数值分析办法数值数值分析办法考虑土体应力应变关系，克服了极限平衡办法完全不考虑土体自身应力-应变关系缺陷，为边坡稳定分析提供了较为对的和进一步概念。边坡稳定性数值分析办法重要包括如下几种办法：(1)有限元法有限单元法是数值模仿办法在边坡稳定评价中应用最早办法，也是当前最广泛使用一种数值办法，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定重要有两种办法。a.有限元滑面搜索法:将边坡体离散为有限单元格，按照施加荷载及边界条件进行有限元计算可得到每个结点应力张量。然后假定一种滑动面，用有限元数据给出滑动面任一点向正应力和剪应力，依照摩尔一库仑准则可得该点抗滑力，由此即能求得滑动面上每个结点下滑力与抗滑力，再对滑动面上下滑力与抗滑力进行积分，就可以求得每一种滑动面安全系数。b.有限元强度折减法:一方面选用初始折减系数，将岩土体强度参数进行折减，将折减后参数作为输入，进行有限元计算，若程序收敛，则岩土体仍处在稳定状态然，后再增长折减系数，直到程序正好不收敛，此时折减系数即为稳定或安全系数。(2)自适应有限元法自20世纪70年代开始自适应理论被引入有限元计算，主导思想是减少前解决工作量和实现网格离散客观控制。现已基本建立了普通弹性力学、流体动力学、渗流分析等领域平面自适应分析系统，能使计算较为迅速和精确。(3)离散单元法离散单元法突出功能是它在反映岩块之间接触面滑移、分离与倾翻等大位移同步，又能计算岩块内部变形与应力分布。因而，任何一种岩体材料都可引入到模型中，例如弹性、粘弹性或断裂等均可考虑，故该法对块状构造、层状破裂或普通破裂构造岩体边坡比较适当。并且，它运用显式时间差分法(动态差分法)求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力问题比较容易。离散元法在模仿过程中考虑了边坡失稳破坏动态过程，容许岩土体存在滑动、平移、转动和岩体断裂及松散等复杂过程，具备宏观上不持续性和单个岩块休运动随机性，可以较真实、动态地模仿边坡在形成和开挖过程中应力、位移和状态变化，预测边坡稳定性，因而在岩质高边坡稳定性研究中得到广泛应用。(4)拉格朗日元法为了克服有限元等办法不能求解大变形问题缺陷，人们依照有限差分法原理，提出了FLAC数值分析办法。该办法较有限元法能更好地考虑岩土体不持续和大变形特性，求解速度较快。缺陷是计算边界、单元网格划分带有很大随意性。(5)界面元法界面元法是一种基于累积单元变形于界面界面应力元法模型，建立合用于分析不持续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题，以及可以完全模仿各类锚杆复杂空间布局和开挖扰动办法。4.1.4.3有限元法用于边坡稳定性分析长处有限元法考虑了介质变形特性，真实地反映了边坡受力状态。它可以模仿持续介质，也可以模仿不持续介质；能考虑边坡沿软弱构造面破坏，也能分析边坡整体稳定破坏。有限元法可以模仿边坡圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏。同步它还能适应各种边界条件和不规则几何形状，具备很广泛合用性。有限元法应用于边坡工程，有其独特优越性。与普通解析办法相比，有限元法有如下长处：(1)它考虑了岩体应力-应变关系，求出每一单元应力与变形，反映了岩体真实工作状态。(2)与极限平衡法相比，不需要进行条间力简化，岩体自始至终处在平衡状态。(3)不需要像极限平衡法同样事先假定边坡滑动面，边坡变形特性、塑性区形成都依照实际应力应变状态“自然”形成。(4)若岩体初始应力己知，可以模仿有构造应力边坡受力状态。(5)不但能像极限平衡法同样模仿边坡整体破坏，还能模仿边坡局部破坏，把边坡整体破坏和局部破坏纳入统一体系。(6)可以模仿边坡开挖过程，描述和反映岩体中存在节理裂隙、断层等构造面。鉴于有限元法具备如此多长处，本章借助通用有限元软件ANSYS来实现对边坡稳定性分析，用品体边坡工程实例详细简介应用ANSYS软件分析边坡稳定性问题。4.2ANSYS边坡稳定性分析环节ANSYS边坡稳定性分析普通分如下几种环节：1、创立物理环境2、建立模型，划分网格，对模型不同区域赋予特性3、加边界条件和载荷4、求解5、后解决（查看计算成果）4.2.1创立物理环境在定义边坡稳定性分析问题物理环境时，进入ANSYS前解决器，建立这个边坡稳定性分析数学仿真模型。按照如下几种环节来建立物理环境：1、设立GUT菜单过滤如果你但愿通过GUI途径来运营ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做事情就是选取菜单途径：MainMenuPreferences，执行上述命令后，弹出一种如图4-1所示对话框浮现后，选取Structural。这样ANSYS会依照你所选取参数来对GUI图形界面进行过滤，选取Structural以便在进行边坡稳定性分析时过滤掉某些不必要菜单及相应图形界面。2、定义分析标题（／TITLE）在进行分析前，可以给你所要进行分析起一种可以代表所分析内容标题，例如“SlopestabilityAnalysis”，以便可以从标题上与其她相似物理几何模型区别。用下列办法定义分析标题。命令：／TITLEGUI：UtilityMenuFileChangeTitle3、阐明单元类型及其选项（KEYOPT选项）与ANSYS其她分析同样，也要进行相应单元选取。ANSYS软件提供了100种以上单元类型，可以用来模仿工程中各种构造和材料，各种不同单元组合在一起，成为详细物理问题抽象模型。例如，不同材料属性边坡土体用PLANE82单元来模仿。大多数单元类型均有核心选项（KEYOPTS），这些选项用以修正单元特性。例如，PLANE82有如下KEYOPTS：KEYOPT(2)包括或抑制过大位移设立KEYOPT(3)平面应力、轴对称、平面应变或考虑厚度平面应力设立KEYOPT(9)顾客子程序初始应力设立设立单元以及其核心选项方式如下：命令：ETKEYOPTGUI：MainMenuPreprocessorElementTypeAdd/Edit/Delete图4-1GUI图形界面过滤4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，则所有输入数据都应当是这三个单位构成表达方式。如原则国际单位制下，时间是秒（s），长度是米（m），质量是公斤（kg），则导出力单位是kg•m/s2（相称于牛顿N），材料弹性模量单位是kg/m•s2（相称于帕Pa）。命令：/UNITS5、定义材料属性大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS程序可以便地定义各种材料特性，如构造材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。ANSYS程序可定义材料特性有如下三种：（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。由于分析边坡模型采用抱负弹塑性模型（D-P模型），因而边坡稳定性分析中需要定义边坡中不同土体材料属性：容重、弹性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。命令：MPGUI：MainMenuPreprocessorMaterialPropsMaterialModels或MainMenuSolutionLoadStepOptsOtherCh