第4章ANSYS邊坡工程應(yīng)用實(shí)例分析

1、內(nèi)容提要第4章ANSYS邊坡工程應(yīng)用實(shí)例分析本章首先對邊坡工程進(jìn)行了概述，然后介紹 了 ANSYS模擬邊坡穩(wěn)定性分析的步驟，最后用實(shí) 例詳細(xì)介紹了 ANSYS進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析的全 過程。本章重點(diǎn)號邊坡工程概述* ANSYS邊坡穩(wěn)定性分析步驟ANSYS邊坡穩(wěn)定性實(shí)例分析本章典型效果圖ANSYS10.0 土木工程應(yīng)用實(shí)例分析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

2、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(yīng)工程就稱為邊坡工程對邊坡工程進(jìn)行地質(zhì)分類時(shí)，考慮了下述各點(diǎn)。首先，按其物質(zhì)組成，即按組成邊坡的地層和巖性，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(jìn)行分類。因?yàn)樵趲r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(jià)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(jìn)行劃分。即邊坡類屬的稱謂順序是：巖性一結(jié)構(gòu)一變形。邊坡工程對國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有重要的影響：

3、在鐵路、公路與水利建設(shè)中，邊坡修建是不可避 免的，邊坡的穩(wěn)定性嚴(yán)重影響到鐵路、公路與水利工程的施工安全、運(yùn)營安全以及建設(shè)成本。 在路堤施工中，在路堤高度一定條件下，坡角越大，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(jìn)行分析，4.1.2 邊坡變形破壞基本原理4.1.2.1 應(yīng)力分布狀態(tài)邊坡從其形成開始，就處于各種應(yīng)力作用 (自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、熱應(yīng)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(yīng)力 狀態(tài)也隨之調(diào)整改變。根據(jù)資料及有限元法計(jì)算，應(yīng)力主要發(fā)生以下變化：(1)巖體中的主應(yīng)力跡線

4、發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，邊坡坡面附近最大主應(yīng)力方向和坡而平行，而最 小主應(yīng)力方向則與坡面近于垂直，并開始出現(xiàn)水平方向的剪應(yīng)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(fù)到原始應(yīng)力狀態(tài)。(2)在坡腳逐漸形成明顯的應(yīng)力集中帶。邊坡愈陡，應(yīng)力集中愈嚴(yán)重，最大最小主應(yīng)力的 差值也愈大。此外，在邊坡下邊分別形成切向應(yīng)力減弱帶和水平應(yīng)力緊縮帶，而在靠 近邊坡的表部所測得的應(yīng)力值均大于按上覆巖體重量計(jì)算的數(shù)值。(3)邊坡坡面巖體由于側(cè)向應(yīng)力近于零，實(shí)際上變?yōu)閮上蚴芰?。在較陡邊坡的坡面和頂面，出現(xiàn)拉應(yīng)力，形成拉應(yīng)力帶.拉應(yīng)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(yīng)力的調(diào)整和拉應(yīng)力帶的出現(xiàn)，是邊坡變形

5、破壞最初始的征兆。例如，由于坡腳應(yīng) 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(yīng)力帶，常是表 層巖體松動(dòng)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(fù)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(dòng)、崩塌、 傾倒、蠕動(dòng)和流動(dòng)。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(xué)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(qiáng)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

6、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(gè)部分是否滑動(dòng)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(yīng)力等。4.1.4 邊坡穩(wěn)定性的分析方法分析邊坡穩(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(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，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(jì)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(zhǔn)則。(2)將滑體作為均質(zhì)剛性體考慮， 認(rèn)為滑體本身不變形，且可以傳遞應(yīng)力。因此只研究滑動(dòng) 面上的受力大小，不

7、研究滑體及滑床內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)。(3)將滑體的邊界條件大大簡化。如將復(fù)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(dòng)方向的代表性剖面， 以表征滑體的基本型態(tài)；將均布力簡化為集中力， 有時(shí)還將力的作用點(diǎn)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(dòng)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(gè)剛體，按照極限平衡的原則 進(jìn)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

8、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(jì)算步驟有繁有簡，使用時(shí)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(jìn)行分析、正確選用滑面的計(jì)算參數(shù)以及 正確引用滑體的荷載條件等。因?yàn)闃O限平衡方法完全不考慮土體本身的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，不能真 實(shí)地反映邊坡失穩(wěn)時(shí)的應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，克服了極限平衡方法完全不考慮土體本身的應(yīng) 力-應(yīng)變關(guān)系缺點(diǎn)，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(jià)中應(yīng)用最

9、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進(jìn)行有限元 計(jì)算可得到每個(gè)結(jié)點(diǎn)的應(yīng)力張量。然后假定一個(gè)滑動(dòng)面，用有限元數(shù)據(jù)給出滑動(dòng)面任一點(diǎn)的向 正應(yīng)力和剪應(yīng)力，根據(jù)摩爾一庫侖準(zhǔn)則可得該點(diǎn)的抗滑力，由此即能求得滑動(dòng)面上每個(gè)結(jié)點(diǎn)的 下滑力與抗滑力，再對滑動(dòng)面上下滑力與抗滑力進(jìn)行積分，就可以求得每一個(gè)滑動(dòng)面的安全系 數(shù)。b.有限元強(qiáng)度折減法：首先選取初始折減系數(shù)，將巖土體強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減， 將折減后的參 數(shù)作為輸入，進(jìn)行有限元計(jì)算，若程序收

10、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(shí)的折減系數(shù)即為穩(wěn)定或安全系數(shù)。(2)自適應(yīng)有限元法自20世紀(jì)70年代開始自適應(yīng)理論被引入有限元計(jì)算，主導(dǎo)思想是減少前處理工作量和實(shí)現(xiàn) 網(wǎng)格離散的客觀控制?，F(xiàn)已基本建立了一般彈性力學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、滲流分析等領(lǐng)域的平面自 適應(yīng)分析系統(tǒng)，能使計(jì)算較為快速和準(zhǔn)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(shí)，又能計(jì)算巖塊內(nèi)部的變形與應(yīng)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

11、顯式時(shí)間差分法(動(dòng)態(tài)差分法)求解動(dòng)力平衡方程，求解非線性大位移與動(dòng)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(dòng)態(tài)過程，允許巖土體存在滑動(dòng)、平移、轉(zhuǎn) 動(dòng)和巖體的斷裂及松散等復(fù)雜過程，具有宏觀上的不連續(xù)性和單個(gè)巖塊休運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性，可以 較真實(shí)、動(dòng)態(tài)地模擬邊坡在形成和開挖過程中應(yīng)力、位移和狀態(tài)的變化，預(yù)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(yīng)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 FLA徵值分析方法。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(diǎn)是計(jì)算邊界、單元網(wǎng)格的劃分帶

12、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(yīng)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(fù)雜空間布局和開 挖擾動(dòng)的方法。4.2 .4.3有限元法用于邊坡穩(wěn)定性分析優(yōu)點(diǎn)有限元法考慮了介質(zhì)的變形特征，真實(shí)地反應(yīng)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(dòng)破壞和非圓弧滑動(dòng)破壞。同時(shí)它還能適應(yīng)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(yīng)用于邊坡工程，有其獨(dú)特的優(yōu)越性。與一般解析方法相比，有限

13、元法有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)它考慮了巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，求出每一單元的應(yīng)力與變形，反映了巖體真實(shí)工作狀O(2)與極限平衡法相比，不需要進(jìn)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(dòng)面，邊坡的變形特性、塑性區(qū)形成都根據(jù)實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)“自然”形成。(4)若巖體的初始應(yīng)力己知，可以模擬有構(gòu)造應(yīng)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(yīng)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(diǎn)，本章借助通用有限元軟件ANSY來實(shí)

14、現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性分析，用具體的邊坡工程實(shí)例詳細(xì)介紹應(yīng)用 ANSY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(gè)步驟：1.1.1 理環(huán)境1.1.2 型，劃分網(wǎng)格，對模型的不同區(qū)域賦予特性1.1.3 條件和載荷1.1.41.1.5 （查看計(jì)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(shí)，進(jìn)入ANSYS前處理器，建立這個(gè)邊坡穩(wěn)定性分析的數(shù)學(xué)仿真模型。按照以下幾個(gè)步驟來建立物理環(huán)境：1、設(shè)置GUT菜單過濾如果你希望通過 GUI路徑來運(yùn)行ANSYS ,當(dāng)ANSYS被激活后第一件要做的事情就是選 擇菜單路徑：Main Menu>

15、Preferences,執(zhí)行上述命令后，彈出一個(gè)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(jìn)行過濾，選擇Structural以便在進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)過濾掉一些不必要的菜單及相應(yīng)圖形界面。2、定義分析標(biāo)題（/ TITLE ）在進(jìn)行分析前，可以給你所要進(jìn)行的分析起一個(gè)能夠代表所分析內(nèi)容的標(biāo)題，比如“ Slope stability Analysis”,以便能夠從標(biāo)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(biāo)題。命令：/TITLEGUI : Utility Menu>File>Change Title3、說明單元

16、類型及其選項(xiàng)（KEYOPT選項(xiàng)）與ANSYS的其他分析一樣，也要進(jìn)行相應(yīng)白單元選擇。 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單元來模擬。大多數(shù)單元類型都有關(guān)鍵選項(xiàng) （KEYOPTS ）,這些選項(xiàng)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(shè)置KEYOPT（3）平面應(yīng)力、軸對稱、平面應(yīng)變或考慮厚度的平面應(yīng)力設(shè)置KEYOPT（9）用戶子程序初始應(yīng)力設(shè)置設(shè)置單元以及其關(guān)鍵選項(xiàng)的方式如下：命令：ET

17、KEYOPTGUI : Main Menu> PreprocessorElement 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(shí)間單位、長度單位和質(zhì)量單位三個(gè)基本單位，則所有輸入的數(shù)據(jù)都應(yīng)當(dāng)是這三個(gè)單位組成的表達(dá)方式。如標(biāo)準(zhǔn)國際單位制下，時(shí)間是秒（s）,長度是米（m）,質(zhì)量是千克（kg）,則導(dǎo)出力的單位是kg? m/s2 （相當(dāng)于牛頓N）,材料的彈性模量單位是 kg/m? s2 （相 當(dāng)于帕Pa）。命令：/UNITS5、定義材料屬性大多數(shù)單元類型在進(jìn)行程序分析時(shí)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

18、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?yàn)榉治龅倪吰履Ｐ筒捎美硐霃椝苄阅Ｐ停―-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 M

19、at Props>Material Models進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算時(shí)，采用強(qiáng)度折減法來實(shí)現(xiàn)。首先選取初始折減系數(shù)F,然后對邊坡土體材料強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行折減，折減后凝聚力以及摩擦角分別見式4-1和式4-2。tanFtan(4-1)(4-2)C和為邊坡土體的初始凝聚力和摩擦角。C和 進(jìn)行折減，輸入邊坡模型計(jì)算，若收斂，則此時(shí)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(shí)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(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析時(shí)，需要建立模擬邊坡土體的 PLANE82單元。在建立好的模型各個(gè)區(qū)域內(nèi)指定特性（單元類型、選項(xiàng)、實(shí)常

20、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> PreprocessorMeshing> Mesh AttributesPicked Areas2、點(diǎn)擊模型中要選定的區(qū)域。3、在對話框中為所選定的區(qū)域說明材料號、實(shí)常數(shù)號、單元類型號和單元坐標(biāo)系號。4、重復(fù)以上三個(gè)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(shí)常數(shù)組號）TYPE （指定單元類型號）ESYS （說明單元坐標(biāo)系號）4.2.3 施加約束和荷載在施加邊界條件和荷載時(shí)，既可以給實(shí)體模型（

21、關(guān)鍵點(diǎn)、線、面）也可以給有限元模型（節(jié)點(diǎn)和單元）施加邊界條件和荷載。在求解時(shí)，ANSYS程序會自動(dòng)將加到實(shí)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 求解接著就可以進(jìn)行求解，ANSYS程序根據(jù)現(xiàn)有選項(xiàng)的設(shè)置， 從數(shù)據(jù)庫獲取模型和載荷信息并 進(jìn)行計(jì)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(jì)算結(jié)果。對于邊坡穩(wěn)定性分

22、析中， 進(jìn)入后處理器后,查看邊坡變形圖和節(jié)點(diǎn)的位移、應(yīng)力和應(yīng)變。隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，邊坡的水平位移增大, 塑性應(yīng)變急劇發(fā)展，塑性區(qū)發(fā)展形成一個(gè)貫通區(qū)域時(shí)，計(jì)算不收斂，認(rèn)為邊坡發(fā)生了破壞。通 過研究位移、應(yīng)變和塑性區(qū)域，來綜合判斷邊坡的穩(wěn)定性。命令：/POST1GUI: Main Menu> General Postproc4.2.6 補(bǔ)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(jì)算模型的邊坡，需要綜合考慮以下因素(1)把有限元計(jì)算的收斂與否作為一個(gè)重要的衡量指標(biāo)，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，計(jì)算收斂， 邊坡破壞時(shí)，邊坡不收斂。(2)邊坡失穩(wěn)的同時(shí)還表現(xiàn)出位移急劇增加。(3)邊坡失穩(wěn)總是伴

23、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?fàn)顩r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(jìn)行計(jì)算，它具有獨(dú)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(dá)到一定的屈服準(zhǔn) 則后，處于塑性狀態(tài)。采用彈塑性模型更能反應(yīng)巖體的實(shí)際工作狀態(tài)。(2)巖體所承受的荷載超過材料強(qiáng)度時(shí)，就會出現(xiàn)明顯的滑移破壞面。因此，彈塑性計(jì)算不 需要假定破壞面的形狀和位置，破壞面根據(jù)剪應(yīng)力強(qiáng)度理論自動(dòng)形成。當(dāng)整個(gè)邊坡破壞時(shí)，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。1.1.1.1 ANSYS邊坡穩(wěn)定性實(shí)例分析4.3.1 實(shí)例描述米Jr米| 米刃米米

24、邊坡圍巖2彈塑性材料,米邊坡圍巖1彈性材料圖4-2邊坡模型邊坡實(shí)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(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算分析，以判斷其穩(wěn)定性和計(jì)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v容重/ kN / m3內(nèi)聚力 /Mpa摩擦角（。）圍巖2 （彈塑性）300.2525000.942圍巖1 （彈性）310.242700-對于像邊坡這樣縱向很長的實(shí)體，計(jì)算模型可以簡化為平面應(yīng)變問題。假定邊坡所承受的外力不隨Z軸變化，位移和應(yīng)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(shè)是合理的。

25、實(shí)測經(jīng)驗(yàn)表明，邊坡的影響范圍在2倍坡高范圍，因此本文計(jì)算區(qū)域?yàn)檫吰麦w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(jì)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。雙層模型考慮土體的彈塑性變形，其塑性區(qū)的發(fā)展，應(yīng)力的分布更符合實(shí)際情況?？紤]雙層模型，塑性區(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(yīng)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1.1.1.2 創(chuàng)建物理環(huán)境1）在【開始】菜單中依次選取【所有程

26、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(jìn)入 ANSYS10.0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“St

27、ructural”來對后面的分析進(jìn)行菜單及相應(yīng)的圖形界面過濾。5）定義工作標(biāo)題：Utility Menu> File> Change Title ,在彈出的對話框中輸入"Slope stabilityAnalysis”,單擊“OK”,如圖 4-3。圖4-3定義工作標(biāo)題6）定義單元類型：a.定義 PLANE82 單元：Main Menu> PreprocessorElement Type> Add/Edit/Delete ,彈出一 個(gè)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(dòng)欄中選 擇“Solid”，在右邊的滾動(dòng)欄中選擇“

28、 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(shè)定 PLANE82 單元選項(xiàng)：Main Menu> PreprocessorElement Type> Add/Edit/Delete ,彈 出一個(gè)單元類型對話框， 選中“Type 2 PLANE82 "，單擊“Options”按鈕，彈出一個(gè)"PLANE82 element Type options”對話框，如圖 4-5所示。在"Element behavior K3 ”欄后面的下拉菜單中 選取“ Pl

29、ane strain”，其它欄后面的下拉菜單采用ANSYS默認(rèn)設(shè)置就可以，單擊“ OK”按鈕。PLANE82 element type 0Pti0rlsOptions fcr PL4NE日2, Element Type Ret No. 1Element behaviorlane strainExtr曰 element outputExtra surface outputOK| No outputK6CancelNo extra output圖4-5 PLANE82單元庫類型選項(xiàng)對話框通過設(shè)置PLANE82單元選項(xiàng)“ K3”為“Plane strain”來設(shè)定本實(shí)例分析采取平面應(yīng) 變模型進(jìn)行分析

30、。因?yàn)檫吰率强v向很長的實(shí)體，故計(jì)算模型可以簡化為平面應(yīng)變問題。8節(jié)點(diǎn)PLANE8邪元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 UX和UY兩個(gè)自由度，比4節(jié)點(diǎn)PLANE4卻元具有更 高的精確性，對不規(guī)則網(wǎng)格適應(yīng)性更強(qiáng)。7）定義材料屬性a.定義邊坡圍巖 1 材料屬性：Main MenuPreprocessorMaterial 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"StructuralLinearElastic>Isotropic”后，又彈出

31、如圖 4-7 所示 a 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“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> In

32、elastic>Non-metalplasticity>drucker-prager”后，又彈出一個(gè)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。Ri imp/ RiiTnpicPRRerUes for MafterlBl FW Density for Material Number 1Lreor LsDincpc Material 4叩crtim for Materid Ibmtcr 1Density fcr Macer al Vimbe* 1EXF

33、T1nTErrperatLreECENS feODAdd 'epeiire behteCncel I-卸除.Het圖4-7線彈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“ MaterialNew Model”，彈出一 個(gè)“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(gè)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 “Str

34、ucturalLinearElastic>Isotropic ”后，又彈出一個(gè)"Linea門sotropic Properties 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(gè)"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(gè)定義材料模型對話框。c.復(fù)制邊坡圍巖1材料性質(zhì)：在圖4-6對話框中，用鼠

35、標(biāo)點(diǎn)擊“Edit>copy .”,彈出一個(gè)“Copy Material Model”對話框，如圖4-10所示。在"from Material number”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(gè)數(shù)，就單擊“ Apply”按鈕一次。圖4-10復(fù)制本構(gòu)模型對話框最后彳

36、#到10個(gè)復(fù)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(qiáng)度折減后材料模型對話框Drucker Prager for Material Number 3Drucker Prager Table for Material Number 3Cohesion Frit Angle Flow Angle37,7GraphOK | Sncel | Hdp |圖4-12定義強(qiáng)度折減系數(shù)F=1.2時(shí)圍巖材料對話框d.定義10個(gè)強(qiáng)度折減后材料本構(gòu)模型：首先定義強(qiáng)度折減系數(shù) F=1.2后邊坡圍巖材料模型， 在圖4-11對話框中，在鼠標(biāo)依次雙擊“ Material Model Number 3/D

37、rucper-Prager"。彈出一個(gè)“Drucker- Prager Material Number 3",如圖 4-12 所示，在"Cohesion”欄添入強(qiáng)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(qiáng)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。定義強(qiáng)度折減后本構(gòu)模型目的是為了分析邊坡穩(wěn)定性。強(qiáng)度折減就是降低內(nèi)聚力和摩擦角，根據(jù)式

38、4-1和式4-2進(jìn)行折減。1.1.1.3 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(diǎn)：Main Menu> PreprocessorModelingCreate>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 “Apply” 按鈕，這樣就創(chuàng)建了關(guān)鍵點(diǎn)1。

39、再依次重復(fù)在“NPT keypoint number”欄后面輸入“2、3、4、5、6、7、8、9”，在對應(yīng) “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(dāng)前坐標(biāo)系創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)對話框b.創(chuàng)建邊坡線模型：Main Menu> PreprocessorModelingCreate&g

40、t;Lines>Straight line ,彈出“Creae straight lines'對話框，用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊關(guān)鍵點(diǎn)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(diǎn)“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> PlotCtrlsNumbering ,彈出"Plot Numbering Controls” 對話框，

41、如圖4-15所示。選中"Aares Numbers”選項(xiàng)，后面白文字由"of"變?yōu)?quot;on”,單擊“OK”關(guān)閉窗口。圖4-15打開面編號對話框b.創(chuàng)建邊坡面模型：Main Menu> PreprocessorModelingCreate>Areas> Arbitraryby line,彈出一個(gè)"Create Area by lines”對話框,在圖形中選取線L4、L5、L3和L11,點(diǎn)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(biāo)在圖形中選取線L1、L2、L6、L10、和L11,點(diǎn)擊“Apply ”按鈕，就

42、生成了邊坡塑性材料區(qū)域面積A2;再依次用鼠標(biāo)在圖形中選取線L7、L8、L10和L9,點(diǎn)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> PreprocessorMeshing> 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(gè)"Areas Attributes”面拾取

43、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"按鈕，又彈出一個(gè)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(shè)置網(wǎng)格劃分份數(shù)：在圖 4-17工具欄中“ Size Control”欄，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“l(fā)ines”后面的 "S

44、et",彈出一個(gè)選擇對話框，用鼠標(biāo)在圖形選擇線 L3和L5。彈出一個(gè)"Element Sizes on PickedLines",對話框，如圖4-19所示，在"No of element division”欄后面輸入"5",單擊"Apply" 按鈕，再選才i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(gè)拾取面積對話 框，拾取面積A1,單擊拾取框

45、上的“ OK”按鈕，生成邊坡圍巖 2單元網(wǎng)格。圖4-19設(shè)置網(wǎng)格份數(shù)對話框5）劃分邊坡圍巖1單元網(wǎng)格Hot Lever 8門troIsk廣 UjtpAuh廣 EonL Polyann 廣 ca.teleL Ln。2C umIf ft¥ZVl1TI¥l=210 1HiiiiwAAU.JLQin. Nu-r*5 Li«t a t 工 ft. 他L Hiey Hn芫,Tixe圖4-20選取線對話框圖4-21設(shè)置網(wǎng)格分?jǐn)?shù)對話框a.設(shè)置網(wǎng)格份數(shù)：Main Menu>Preprocessor>Meshing>Size Cntrls>ManualSize

46、>Layers>PickedLines,彈出一個(gè)"Set Layer Controls”對話框，如圖4-20所示，用鼠標(biāo)選取線 L1、L1和L6單 擊"OK”按鈕。彈出一個(gè)"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(shè)置線L8和L10分割份數(shù)為16;設(shè)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>

47、 PreprocessorMeshing> 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(gè)" 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(gè) "Areas Attributes"對話框，在"Material number"后面 的下拉式選擇欄中選取"1",在&

48、quot;Element type number " 后面的下拉式選擇欄中選取“2PLANE82"，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，彈出一個(gè)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>Displacem

49、ent>on Nodes,彈出在節(jié)點(diǎn)上施加位移約束對話框，用鼠標(biāo)選取隧道模型兩側(cè)邊界上 所有節(jié)點(diǎn)，單擊“OK”按鈕。彈出“Apply U,ROT on Nodes ”對話框，如圖4-23所示，在“DOFS to 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

50、約束對話框b.給模型底部施加約束：執(zhí)行 Main Menu>Solution>Define LoadsApply>Structural> Displacement>on Nodes,彈出在節(jié)點(diǎn)上施加位移約束對話框，用鼠標(biāo)選取隧道模型底部邊界上 所有節(jié)點(diǎn)，單擊"OK”按鈕。彈出圖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 a Displacement value”欄后面輸

51、入“ 0”值，然后單擊“ OK”按鈕。節(jié)點(diǎn)選擇，可以先選擇節(jié)點(diǎn)上線，再選擇附在線上的節(jié)點(diǎn)。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。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。A/Xpplv (G日¥it目忖。nal) Acc

52、elerationACEL Apply (Gnanitathxal)心匚匚cgraticinACELX Global Cartesian X-conpAC ELY Global Cartesian Y-coimpg,日ACEL G lobal Cartes ian Z-cornp口口長 |Canizel |H.lp |圖4-25施加重力加速度對話框這時(shí)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(shè)置a.指定求解類型： Main Menu>Solution>Analysis Type>New

53、 Analysis ,彈出一個(gè)如圖 4-25 所 示對話框，在"Type of analysis”欄后面選中"Static",單擊"OK"按鈕。MNsw ArkalysisMITYPF Typp of wn曲擅Stade ；C fVbcUIr MarmcnicC TransientU SfiectruniC Eigen Buckling SdbsvuctLirng<LMSCK ICanoe I IHelp I圖4-25指定求解類型對話框b.設(shè)置載荷步：Main Menu>Preprocessor>Loads>Analys

54、is Type>Sol'n Controls,彈出一個(gè)Solution Controls”對話框，用鼠標(biāo)單擊"Basic”選項(xiàng)，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(shè)置載荷步對話框c.設(shè)置線性搜索： Main Menu>Solution>Analysis Type>Sol'n Con

55、trols,彈出一個(gè)"Solution Controls”對話框，用鼠標(biāo)單擊"Nonlinear”選項(xiàng)，如圖4-27所示，在"Line search"欄后面下 拉菜單選中“ ON圖4-27設(shè)置線性搜索對話框d.設(shè)定牛頓-拉普森選項(xiàng)：Main Menu>Solution>Analysis Type>Analysis Options,彈出一個(gè) “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“

56、 OK”按鈕。'' i'"k c； .il-Ai 11 rr'>isR 繇髓鬻Mmirear 卬口 ms忖L里DIM .a-qe defa-m erf=ct=off一W0PT1 wflor-Rsftscri opricn-MsutrvEdKsM回7小生,二Lirwr Options：LJvTTvIl 3白 Limped HliCE 即口MXyr NnEQELV Equattir scUver|prcgnm dTjaenTolgrarciiAEl-xald 怕。all lEwcept Fro-ital and 5pa*se § "

57、;hjefs版i 中 liar-iion hf for Fi esnciU口n CGFRECISICfJ' S fiylt R'wl teiCri *off-raid an 勺 rir FrEciniitinri CGMSAE lYemorj Save -廠 off-問 rl on ly mr Freconcflinn 06nya-ECKPimtiCh«ck-vaidory r?r Frortai u方汨 aE 匚。u匚"白令rTTlpsiRF1-.匚;*K1 *e而吟鼻力NJtu; Ifr-ICEOM.CT-J hjii &JL BSTtF OM7

58、OFFGT TeiYperaiufe ctffirencfl-csixal-tfiMBI JlXQ Ute Hr 口 一 d : CI J Lfx：u ISfflp SCdU3圖4-28設(shè)定牛頓-拉普森選項(xiàng)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(shè)置收斂條件

59、： Main Menu>Preprocessor>Loads>Load Step Opts>Nonlinear>Convergence Crit,彈出一個(gè)"Default Nonlinear Convergence Criteria”,如圖 4-29 所示。圖中顯示 ANSYS 默 認(rèn)的收斂條件：分別設(shè)置了力和力矩的收斂條件。圖4-29 ANSYS默認(rèn)收斂條件為了使求解順利進(jìn)行和得到較好解，可以修改默認(rèn)收斂設(shè)置，可以分別設(shè)置力、力矩和位 移收斂條件。單擊圖 4-29中的“Replace",彈出一個(gè)"Nonlinear Convergence Criteria”對話框， 如圖4