ANSYS巖土計(jì)算例子

ANSYS巖土計(jì)算例子ANSYS巖土計(jì)算例子ANSYS巖土計(jì)算例子ANSYS土工結(jié)構(gòu)計(jì)算案例ANSYS－CHINA廣州做事處2019年11月23日目錄計(jì)算題目及計(jì)算要求說(shuō)明···························1題目一·······································4一、計(jì)算說(shuō)明···································4二、計(jì)算所用ANSYS鄧肯－張的E－B模型說(shuō)明···············5三、計(jì)算有限元模型及計(jì)算結(jié)果························6題目二·······································7一、用三維有限元模型計(jì)算···························7二、用三維有限元模型計(jì)算···························8題目三······································10一、計(jì)算說(shuō)明··································10二、計(jì)算有限元模型及界線條件·······················10三、強(qiáng)夯地基固結(jié)計(jì)算·····························10題目四······································17一、計(jì)算說(shuō)明··································17二、計(jì)算幾何模型和有限元模型·······················17三、計(jì)算結(jié)果··································181、計(jì)算界線條件·······························182、計(jì)算結(jié)果··································193、結(jié)論···································201計(jì)算題目及計(jì)算要求說(shuō)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解析題目二：大圓筒結(jié)構(gòu)、波浪與地基的相互作用解析（大圓筒作為重力式碼頭結(jié)構(gòu)，波浪為水平動(dòng)荷載，門(mén)吊為豎向動(dòng)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(dòng)荷載作用下液化造成圓筒推翻）題目三：（沖擊荷載下）強(qiáng)夯地基固結(jié)有限元解析（供應(yīng)固結(jié)方程或固結(jié)方程辦理方案，孔隙水壓力消逝計(jì)算方案、沉降計(jì)算方案及其他一些辦理技巧）題目四：在降雨情況下土工格柵加筋土擋墻邊坡上公路牢固解析（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0.60.60.6m3，混凝土后方為鉤掛式土工格柵，邊坡比較陡，邊坡有必然排水特點(diǎn)）。詳盡辦理方案包括：1、供應(yīng)計(jì)算輸入界面2、計(jì)算模型或采用本構(gòu)情況3、前辦理方案及網(wǎng)格劃分技巧4、特別資料或模型嵌入技術(shù)5、計(jì)算技巧及解決方案6、后辦理供應(yīng)內(nèi)容2詳盡報(bào)價(jià)方案包括：進(jìn)行簡(jiǎn)單報(bào)價(jià)，涉及以上題目的各模塊的綜合報(bào)價(jià)（包括前后辦理及解決以上問(wèn)題的結(jié)構(gòu)與巖土問(wèn)題的模塊報(bào)價(jià).能用通用模塊計(jì)算盡量用通用模塊,必定用CivilFEM模塊計(jì)算的請(qǐng)注明.供應(yīng)解決方案時(shí)間：2005年5月18日以前。3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解析一、計(jì)算說(shuō)明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解析，可以用空間有限元模型或平面有限元模型數(shù)值求解?？臻g有限元模型如圖1-1所示?？紤]到岸坡主若是平面問(wèn)題，為了節(jié)約單元，可以只取四榀排架建立空間模型，并以中間兩個(gè)排架的受力情況作為整個(gè)碼頭段的樁的受力標(biāo)準(zhǔn)。橫梁可用梁?jiǎn)卧蝮w單元，樁可用梁?jiǎn)卧驓卧蝮w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。梁和樁作為線彈性資料，土可作為D－P資料按彈塑性解析或可用E－B資料以作非線性彈性解析。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(chǎng)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5～10米。橫梁和樁可用梁?jiǎn)卧蚱矫鎲卧?，其模量和尺寸可按相似原理進(jìn)行換算。無(wú)論空間還是平面模型，在計(jì)算模型范圍內(nèi)的原狀土，自重引起的應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)按初始應(yīng)力場(chǎng)考慮，ANSYS供應(yīng)了初應(yīng)力計(jì)算的功能，解決初應(yīng)力問(wèn)題特別方便。4二、計(jì)算所用ANSYS鄧肯－張的E－B模型說(shuō)明本算例是一個(gè)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解析，是一個(gè)平面計(jì)算的例子。本例的土體用鄧肯－張的E－B模型模擬。E－B模型為非線性彈性模型，土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為雙曲線，如圖1-3所示。切線變形模量為Et。nRf(13)(123sin)EtKpapa1（1－1）2ccos23sin切線泊松比μ按下式確定：BEt（1－2）2)3(13m（1－3）BKbpa(pa)式中，K、n—試驗(yàn)常數(shù)；pa—大氣壓；B—體變模量；m—應(yīng)力指數(shù)；1、3—大小主應(yīng)力；Kb—體積模量系數(shù)；Rf－破壞比；c、－凝聚力和內(nèi)摩擦角。圖1-3土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系上述非線性彈性問(wèn)題的有限元求解方法，可用增量法或迭代法。本例采用5迭代法求解。ANSYS供應(yīng)參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言APDL，可以方便用于按參數(shù)建模，也可以用來(lái)擴(kuò)展有限元的解析能力，創(chuàng)辦各種控制方案。別的，ANSYS的命令流也可以有效控制和實(shí)現(xiàn)很多求解過(guò)程和求解方案。本例結(jié)合ANSYS參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言及ANSYS鄧肯－張的E－B模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。三、計(jì)算有限元模型及計(jì)算結(jié)果圖1-4為計(jì)算有限元模型，全用采用ANSYS自動(dòng)四邊形網(wǎng)格功能來(lái)劃分，從而保證了較高的計(jì)算精度。圖1-4高樁碼頭樁基與岸坡相互作用計(jì)算元模型圖1-5高樁碼頭樁基與岸坡相互作用變形圖6題目二大圓筒結(jié)構(gòu)、波浪與地基的相互作用解析一、用三維有限元模型計(jì)算大圓筒在外荷載（包括動(dòng)荷載）作用下和地基相互作用問(wèn)題，可按空間問(wèn)題求解?，F(xiàn)以大圓筒在振動(dòng)下沉?xí)r的動(dòng)力解析為例闡述以下。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?jiǎn)卧M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。對(duì)瞬時(shí)動(dòng)荷載采用時(shí)程積分的方法，將一個(gè)周期的荷載分為足夠多個(gè)時(shí)間步（比方300步）進(jìn)行求解。圖2-2所示為大圓筒下沉到十六米時(shí)在T＝11.5秒時(shí)的豎向應(yīng)力云圖。圖2-1大圓筒有限元模型圖2-2大圓筒下沉到十六米時(shí)在T＝11.5秒時(shí)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(wèn)題也可用上述空間模型求7解。在側(cè)向荷載作用下，達(dá)到必然程度時(shí)，圓筒和土體之間的接觸單元會(huì)反響出筒體和土體間的分別現(xiàn)象。二、用三維有限元模型計(jì)算參照日本規(guī)范，大圓筒的位移和傾復(fù)問(wèn)題，也可以用平面方法按以下模型求解?？v向取單寬按平面問(wèn)題計(jì)算，橫向?qū)挾菳可按縱向單元長(zhǎng)度內(nèi)面積相等的原則確定。墻后土壓力按假想平面和庫(kù)侖極限主動(dòng)土壓力計(jì)算，側(cè)向摩阻力由主動(dòng)土壓力和土與墻背間摩擦角計(jì)算確定。墻前水平土抗力經(jīng)過(guò)設(shè)置非線性彈簧元經(jīng)非線性迭代計(jì)算確定。筒底地基反力經(jīng)過(guò)設(shè)置筒底豎向彈簧元經(jīng)計(jì)算確定；筒底基土的剪切反力，經(jīng)過(guò)設(shè)置筒底水平向彈簧元計(jì)算確定，依照上述假定，在ANSYS上建立有限元模型如圖2-3。圖2-3經(jīng)非線性迭代計(jì)算，獲取土抗力和地基反力如圖2-4所示。8圖2-4位移圖見(jiàn)圖2-5，最大位移DMX＝10.7688cm。各要點(diǎn)點(diǎn)的位移如表一。表一要點(diǎn)點(diǎn)的位移關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移（cm）水平位移（cm）水平贊同最大位移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）5.04（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）圖2-5位移云圖9題目三（沖擊荷載下）強(qiáng)夯地基固結(jié)有限元解析（供應(yīng)固結(jié)方程或固結(jié)方程辦理方案，孔隙水壓力消逝計(jì)算方案、沉降計(jì)算方案及其他一些辦理技巧）一、計(jì)算說(shuō)明本題目對(duì)強(qiáng)夯地基固結(jié)進(jìn)行有限元解析，可采用ANSYS－STRUCTURE解析模塊來(lái)完成。二、計(jì)算有限元模型及界線條件圖3－1有限元模型及模型尺寸圖3－2沖擊荷載加載圖三、強(qiáng)夯地基固結(jié)計(jì)算圖3－3沖擊荷載作用下的變形圖10圖3－4沖擊荷載作用下的等效應(yīng)力云圖依照Skempton土力學(xué)計(jì)算公式，每一個(gè)荷載增量以致的孔隙水壓力的增量可用式(3-1)表示：uB[3A(13)],B1，A1/3(3-1)依照上式(3-1)，采用ANSYS可計(jì)算獲取動(dòng)載作用下孔隙水壓力增量。圖3-5動(dòng)荷載末時(shí)的孔隙水壓力增量u云圖11圖3－6動(dòng)荷載末時(shí)的孔隙水壓力增量u云圖由式：uu0ughu（3－2）可計(jì)算獲取孔隙水壓力的分布，以以下圖所示。圖3－7動(dòng)荷載末時(shí)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(shí)水頭分布云圖。huy（3－3）w12圖3－8沖擊載荷末時(shí)水頭h圖3－101天后各點(diǎn)水頭分布圖3－114天后各點(diǎn)水頭分布圖3－125天后各點(diǎn)水頭分布圖3－1310天后各點(diǎn)水頭分布13圖3－1420天后各點(diǎn)水頭分布圖3－1530天后各點(diǎn)水頭分布圖3－1650天后各點(diǎn)水頭分布圖3－1760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)水頭分布為了獲取在沖擊載荷作用下孔隙水壓力的消逝過(guò)程，如圖3－21～圖3－23所示分別畫(huà)出了圖3－20所示3個(gè)點(diǎn)的孔隙水壓力u隨時(shí)間的變化曲線。14圖3－20孔隙水壓力u消逝過(guò)程三個(gè)監(jiān)控點(diǎn)地址4.60E+044.50E+04)4.40E+04P(力壓4.30E+04水隙孔4.20E+044.10E+044.00E+04-2.00E+060.00E+002.00E+064.00E+066.00E+068.00E+061.00E+07時(shí)間(秒))a

圖3－21第1個(gè)監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力u隨時(shí)間的消逝過(guò)程8.35E+048.30E+048.25E+048.20E+04(力壓8.15E+04水隙8.10E+04孔8.05E+048.00E+047.95E+04-2.00E+060.00E+002.00E+064.00E+066.00E+068.00E+061.00E+07時(shí)間(秒)圖3－22第2個(gè)監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力u隨時(shí)間的消逝過(guò)程151.24E+051.23E+05)1.23E+05aP1.22E+05(力壓1.22E+05水隙1.21E+05孔1.21E+051.20E+051.20E+050.00E+1.00E+2.00E+3.00E+4.00E+5.00E+6.00E+7.00E+8.00E+9.00E+00060606060606060606時(shí)間(秒)圖3－23第3個(gè)監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力u隨時(shí)間的消逝過(guò)程16題目四：在降雨情況下土工格柵加筋土擋墻邊坡上公路牢固解析（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0.60.60.6m3，混凝土后方為鉤掛式土工格柵，邊坡比較陡，邊坡有必然排水特點(diǎn)）。一、計(jì)算說(shuō)明題目四是一滲流－結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算問(wèn)題。而ANSYS擁有功能富強(qiáng)的滲流－結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算功能。下邊是針對(duì)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牢固解析。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、資料的說(shuō)明圖4-1計(jì)算幾何模型圖4-2計(jì)算模型尺寸及有關(guān)資料17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)共有六種資料，上圖4-3中分別用不同樣顏色表示結(jié)構(gòu)不同樣的材料。三、計(jì)算結(jié)果、計(jì)算界線條件圖4-4滲流－結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算有限元模型18以上是邊坡路基在降雨情況下牢固解析界線條件說(shuō)明。除了考慮降雨，同時(shí)路