基于ANSYS有限元軟件的邊坡穩(wěn)定性分析

基于ANSYS有限元軟件的邊坡穩(wěn)定性分析摘要：隨著計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、工程管理學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬的技術(shù)隨之變得越來(lái)越成熟。本文使用ANSYS有限元軟件來(lái)模擬邊坡，運(yùn)用強(qiáng)度折減法，分析凝聚力和內(nèi)摩擦角對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，獲得相應(yīng)的位移云圖。把安全系數(shù)作為判斷邊坡穩(wěn)定性的一個(gè)重要的指標(biāo)，從而及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和避免可能發(fā)生的滑坡、崩塌等自然災(zāi)害，盡可能地降低人民生命和財(cái)產(chǎn)的損失。關(guān)鍵詞：邊坡；穩(wěn)定性；有限元軟件；數(shù)值模擬；強(qiáng)度折減法引言邊坡是指地殼表面具有側(cè)向臨空面的地質(zhì)體，由坡面、坡頂與其下方一定深度的巖土體構(gòu)成。邊坡存在于大量的工程中，包括但不限于鐵路、公路和水利工程等。近年來(lái)，滑坡，泥石流，山體崩塌等災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害了人民的生命及財(cái)產(chǎn)安全，給人們的生活造成了重大的威脅，邊坡穩(wěn)定成為社會(huì)各界廣泛關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。不僅如此，邊坡是否穩(wěn)定會(huì)嚴(yán)重影響工程的施工安全、運(yùn)營(yíng)安全和建設(shè)成本，因此，邊坡的穩(wěn)定性有分析研究的充分必要。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法研究邊坡穩(wěn)定性最早使用的就是有限元法，也是現(xiàn)在最常用的數(shù)值模擬方法。有限元法充分考慮了介質(zhì)的變形特征，能夠正確地反應(yīng)邊坡的受力狀態(tài)。既能考慮到邊坡沿軟弱結(jié)構(gòu)面破壞，還能分析邊坡的整體穩(wěn)定破壞。1ANSYS有限元軟件簡(jiǎn)介FEA(FiniteElementAnalysis)是一種高效的，常用的計(jì)算方法，它是將連續(xù)的對(duì)象離散化成若干個(gè)有限大小的單元體的集合，從而求解連續(xù)體的力學(xué)問(wèn)題。ANSYS有限元軟件包含多中有限元分析類型，從簡(jiǎn)單的線性靜態(tài)分析到復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)分析都能夠進(jìn)行計(jì)算求解。2參數(shù)選取及計(jì)算模型建立2.1選取背景參數(shù)本次數(shù)值模擬以國(guó)內(nèi)某礦邊坡為對(duì)象，采用有限元軟件ANSYS分析該邊坡結(jié)構(gòu)在不同力學(xué)參數(shù)條件下的應(yīng)力應(yīng)變情況，并判斷其穩(wěn)定性。邊坡的材料屬性如表1所示。2.2建立計(jì)算模型對(duì)于邊坡這種縱向比較長(zhǎng)的實(shí)體，計(jì)算模型可簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變問(wèn)題，即認(rèn)為邊坡所受的外力不隨Z軸變化，其在外力作用下所發(fā)生的位移和應(yīng)變都只在自身平面內(nèi)。在對(duì)邊坡的變形和穩(wěn)定性進(jìn)行分析時(shí)，這種假定是合理的。邊坡的左右兩側(cè)邊界的位移約束條件是水平位移為零，下側(cè)邊界的約束條件是豎向位移為零。有限元計(jì)算模型如圖1所示。圖1邊坡計(jì)算模型表1材料物理力學(xué)參數(shù)名稱容重/kN/m3彈性模量/GPa泊松比內(nèi)摩擦角/°凝聚力/MPa巖土體200.80.3170.42使用Plane42實(shí)體單元根據(jù)表1中容重、彈性模量和泊松比定義邊坡的巖土體。2.3確定荷載邊坡的巖土體自重在有限元模型上通過(guò)ANSYS程序添加重力荷載(g=9.8m/s2)，巖土體的重度取20000N/m33強(qiáng)度折減法的原理強(qiáng)度折減法是指，為了使巖土處于臨界破壞失穩(wěn)的狀態(tài)，不斷折減巖土的材料參數(shù)強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度），折減的系數(shù)F即為安全系數(shù)。根據(jù)摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則選擇巖土的本構(gòu)模型，把巖土的穩(wěn)定性系數(shù)F定義為抗拉強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度同等減少值。式中：為凝聚力，為折減后的凝聚力；為內(nèi)摩擦角，為折減后的內(nèi)摩擦角。在定義邊坡巖土體時(shí)，首先根據(jù)表1中的凝聚力與內(nèi)摩擦角作為原始參數(shù)。如果計(jì)算結(jié)果收斂，則根據(jù)上述公式不斷增加折減系數(shù)F，再將折減后的參數(shù)輸入程序中計(jì)算，如此反復(fù)操作，直至巖土體失穩(wěn)。本文以有限元軟件迭代計(jì)算不再收斂作為巖土失穩(wěn)的判據(jù)。邊坡數(shù)值模擬的強(qiáng)度折減表如表2所示。強(qiáng)度折減系數(shù)F凝聚力/MPa內(nèi)摩擦角/°1.00.4217………………1.30.32313.231.40.312.321.50.2811.521.510.27811.451.520.27611.37表2強(qiáng)度折減表4計(jì)算結(jié)果及分析4.1折減系數(shù)F為1.5時(shí)的結(jié)果當(dāng)強(qiáng)度折減系數(shù)F=1.5時(shí)，邊坡在水平方向上的最大位移為14.03mm。從塑性應(yīng)變?cè)茍D可以看出，邊坡模型中有明顯的塑性應(yīng)變，最大的塑性應(yīng)變達(dá)0.014，坡腳處的塑性區(qū)斜向上發(fā)展。4.2折減系數(shù)F為1.51時(shí)的結(jié)果當(dāng)折減系數(shù)F=1.51時(shí)，邊坡在水平方向上的最大位移為14.033mm。從塑性應(yīng)變?cè)茍D可以看出，此時(shí)的邊坡模型中絕大部分都出現(xiàn)了塑性應(yīng)變，最大處的塑性應(yīng)變達(dá)到3.216，塑性區(qū)進(jìn)一步增大至坡頂，說(shuō)明此時(shí)的邊坡已經(jīng)不再穩(wěn)定，也就是說(shuō)邊坡發(fā)生了破壞。4.3折減系數(shù)F為1.52時(shí)的結(jié)果當(dāng)折減系數(shù)F=1.52時(shí)，計(jì)算結(jié)果已不再收斂。4.4結(jié)果分析從邊坡模型的變形圖可以看出，隨著強(qiáng)度折減系的F的不斷增大，邊坡的變形也逐漸增大。當(dāng)F=1.52時(shí)，結(jié)果不再收斂。從圖8可以看出此時(shí)的邊坡的破壞面近似呈圓弧狀，說(shuō)明此時(shí)邊坡結(jié)構(gòu)已經(jīng)不安全了。從邊坡的X水平位移云圖可以看出，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)F的不斷增大，邊坡的水平位移發(fā)生較大波動(dòng)，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大，水平位移先增大然后再減小。這也說(shuō)明此時(shí)邊坡發(fā)生了破壞。從邊坡的塑性應(yīng)變?cè)茍D可以看出，隨著強(qiáng)度折減系數(shù)F的不斷增大，塑性應(yīng)變從無(wú)到有逐漸增大，塑性區(qū)也隨之逐漸增大，當(dāng)折減系數(shù)F達(dá)到1.51時(shí)，塑性區(qū)延長(zhǎng)至坡頂。當(dāng)F=1.52時(shí)，解不收斂，因此，該模型的安全系數(shù)應(yīng)該為1.51。5總結(jié)本文通過(guò)ANSYS有限元對(duì)二維的均質(zhì)邊坡進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，認(rèn)識(shí)到在材料屬性以及邊坡尺寸、邊界條件等條件不變的情況下，邊坡的穩(wěn)定性隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增大而減弱。在實(shí)際生產(chǎn)生活中，可以利用有限元軟件對(duì)存在的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析，從而確保生產(chǎn)生活的安全性，確保人民的