【长安大学】岩土软件开发应用.docx

岩土软件开发与应用三维滑坡有限元模拟分析三维滑坡有限元模拟分析1 模型建立1.1 模型尺寸本文滑坡有限元模拟采用高级有限元软件MSC.Marc。建立的三维模型如图1-1所示。模型中，滑床高度500m，长度1000m，宽度500m。滑坡滑面为圆弧滑动面，最上部分为滑体，滑床与滑体之间为滑面。图1-1 滑坡三维有限元模型1.2 模型参数滑坡模型的详细计算参数如表1-2所示。 滑坡模型各材料计算参数 表1-2介质弹性模量（Mpa）泊松比密度（MN/m3）凝聚力（Mpa）内摩擦角（。）抗拉强度（Mpa）硬化指数滑体5000.280.0220.2310.20.9滑面200.350.0180.01210.011滑床20000.240.02554050.7对于滑坡的土层参数，有限元软件MSC.Marc提供了土的修正后的线性摩尔库伦理论模型，模型中的所有土层均采用该理论模型。1.3 模型边界条件1) 滑床的侧边和底部结点均控制结点无位移；2) 模型的侧边结点控制为z方向无位移，即滑床、滑体和滑面无侧向挤出；3) 滑体及滑面单元施加重力荷载，荷载大小为表1-2中相应的参数。2 计算结果分析2.1 最大主应力分布特征滑坡的最大主应力分布云图如图2-1所示，从图中可以看出，滑床与滑体和滑面上部相接触的部位的最大主应力为正值，这表示此处最大主应力表现为拉应力。滑床、滑面和滑体都有一定的粘聚力，滑体在重力作用下有向下的滑动趋势，滑床在滑体的牵拽作用下就表现出了拉应力。在滑体的中下部，土体最大主应力表现为了负值，这表示该处最大主应力表现为压应力。这是由于滑体本身具有重力，重力对滑体下部、滑面及与之相接处的滑床部分土体有相应的压应力。图2-1 滑坡最大主应力分布云图从整个模型云图可以看出，以坡中滑体上部为分界，上部的滑床土体都表现为拉应力，下部滑床则表现为压应力，这主要是受土体重力的影响。在表现压应力的土体中，滑面周围的最大主应力是最大的，这也直观表现出了滑动面的不稳定特性。图中可以清晰的看出，滑面上的最大主应力值从上而下从正值渐变为负值，而且越接近滑体下部，滑面上的最大主应力越向负值偏大。从图可以看出，滑面上下两端的最大主应力不仅分别表现为拉应力和压应力，而且其数值上也都大约在106水平。对于滑体坡脚部位，可以看出这部分土体处于凌空状态，从而在云图中的反应就是其最大主应力为0。2.2 最小主应力分布特征滑坡的最小主应力分布云图如图2-1所示，从图中可以看出，滑床与滑体和滑面上部相接触的部位的最小主应力很小，趋近于0，这表示此处最小主应力及其微小。与最大主应力分布特征相似，在滑体的中下部，土体最小主应力表现为了负值，这表示该处最小主应力也表现为压应力。这是由于滑体本身具有重力，重力对滑体下部、滑面及与之相接处的滑床部分土体有相应的压应力。图2-2 滑坡最小主应力分布云图从整个模型云图可以看出，以坡中滑体上部为分界，上部的滑床土体受力较小，几乎为0。下部滑床则表现为压应力，这主要是受土体重力的影响。在表现压应力的土体中，滑面周围的最小主应力也是最大的，这依然直观表现出了滑动面的不稳定特性。观察整个滑动面，可以看出其上的最小主应力分布与上述最大主应力分布特征相似，滑面上的最小主应力值从上而下偏向于负值越来越大。2.3 最大剪应力分布特征滑坡的最大剪应力分布云图如图2-3所示，滑坡剪应力的分布主要集中在滑体及其以下土层。其余部分虽有相应的最大剪应力，但是与滑体处相比，其最大剪应力表现较小。对于滑体来说，在滑体的上部只存在相对较小的最大剪应力，而在滑体下部，最大剪应力逐渐增大。图2-3 滑坡最大剪应力分布云图在滑体及以下土层中，剪应力分布范围普遍集中在103Kpa水平，其中在滑面处，由上而下最大剪应力呈增大趋势，越接近坡脚，滑面上的最大剪应力越大。其最大剪应力大小明显要大于其周围土层。这就清晰的显示出了滑面的特性，即滑坡滑动面处存在的最大剪应力超过其极限值时表现出了不稳定，从而导致了滑坡的发生。在云图中可以看出，最大剪应力都表现为正值，这是因为建立的模型决定了滑体是向右下方滑动，从而导致滑体周围的土体最大剪应力方向为顺时针，即正的剪应力方向。2.4 最大主应变分布特征滑坡最大主应变分布云图如图2-4所示，从图中可以看出，滑床部分最大主应变除与滑面接触的部分外，其余部分几乎为0。而在滑面处，其最大主应变明显要高于其周围土层的应变值。这是由滑面的性质所决定的：滑面的弹性模量相较于其周围土层明显要小，这就导致了其具有明显的较大的最大主应变值，其范围大约为0.070.08。对于滑体，除与滑面相接处部分的土体及其周围外，其余部分表现的最大主应变十分微小。在滑面部分，其最大主应变由上而下呈负向的逐渐增大趋势，而在坡脚部位，其最大主应变值达到负的最大。滑面上下两端表现的最大主应变值相差约1.52倍。图2-4 滑坡最大主应变分布云图2.5 最大剪应变分布特征滑坡最大剪应变分布云图如图2-5所示，与最大主应变相似，滑床部分最大剪应变除与滑面接触的部分外，其余部分表现较小，几乎为0。而在滑面处，其最大剪应变也明显要高于其周围土层的应变值。这是由滑面的性质所决定的：滑面的弹性模量相较于其周围土层明显要小，这就导致了其具有明显的较大的最大剪应变值，其范围大约为0.060.098。对于滑体，除与滑面相接处部分的土体及其周围外，其余部分表现的最大剪应变也表现的十分微小。在滑面部分，其最大剪应变由上而下呈负向的逐渐增大趋势，而在坡脚部位，其最大剪应变值达到负的最大。滑面上下两端表现的最大剪应变值相差约1.52倍。总之，将滑坡最大剪应变的云图与上述最大主应变云图想比较可以看出，其分布特征及其相似，二者都清晰的表现出了滑坡滑动面的不稳定性。图2-5 滑坡最大剪应变分布云图2.6 典型断面水平位移分布特征滑坡典型断面水平位移分布云图如图2-6所示，在图中可以看出，滑体的位移量相较滑床和滑面十分明显。其中滑体的上下两端的位移量要比其余部分明显偏大。在坡脚部位，其位移量相较其上部不远处有所增大，这主要是因为坡脚处于凌空状态，下部无支撑而导致位移量增大。图2-6 滑坡典型断面水平位移