RFPA2D边坡版培训教程.ppt

初级培训教程 RFPA2D Slope边坡版 主要内容 RFPA Slope边坡版简介 强度折减法的基本原理 离心加载法的基本原理 RFPA SRM版界面介绍 RFPA Centrifuge版界面介绍 RFPA Slope边坡版分析问题的流程 RFPA SRM强度折减法算例 RFPA Centrifuge离心加载法算例 一 RFPA Slope边坡版简介 RFPA Slope边坡版简介 RFPA Slope边坡版是在RFPA2D Basic基本版的基础上 将强度折减和离心机的基本原理引入岩石破裂过程分析方法之中而推出的 分为RFPA2D SRM和RFPA2D Centrifugation两个分析模块 该版本的数值计算方法全面满足静力许可 应变相容 以及岩土体的非线性应力 应变关系 在求解安全系数时 无需假定滑动面的具体位置和形状 也无需进行条分 程序可自动求得滑动面 模拟过程中能够跟踪边坡起裂 裂纹发展和滑动面的形成过程 对安全系数的计算中 以基元破坏个数的最大值作为边坡失稳的判据 方法简单 有效 能够对复杂地质 地貌的岩 土质边坡进行稳定性分析 不受边坡几何形状和结构的限制 边坡中的不同构造 产状和特性的结构面均可以在数值模型中得以再现 能够为深入研究边坡的稳定性提供理论支持并为边坡的设计提供指导 观看重力作用下边坡滑坡过程 RFPA2Dmodelingofslopesliding RFPA2Dmodelingofslopesliding 二 强度折减法的基本原理 强度折减概述 强度折减 是在有限元计算中将岩或土体强度参数 包括抗剪 抗拉强度 逐渐降低直到其达到破坏状态为止 程序可以自动根据计算结果得到破坏面 应变突变的地带 同时得到强度储备安全系数 RFPA SRM系统基于对岩石细观层次结构的认识 假定岩石的细观力学性质具有统计性 首先把岩石离散成适当尺度的细观基元 对于这些组成材料的细观基元 考虑其非均匀性特性 按照给定的Weibull统计分布函数 对这些单元的力学性质进行赋值 这样就生成了非均匀岩土结构的数值模型 这些细观基元可以借助有限元法作为应力分析工具来计算其受载条件下的位移和应力 在此基础上 通过基元破坏分析 考察基元是否破坏 从而获得基元材料性质的新状态 RFPA SRM将细观基元的强度以线性关系 按一定步长逐渐折减 每折减一次 应力分析程序将进行迭代计算 寻找外力与内力的平衡 并在此基础上进行破坏分析 直至边坡宏观失稳破坏 求得边坡的滑动破坏面 强度屈服准则 RFPA SRM主要引入具有拉伸截断的摩尔库仑准则作为细观基元破坏的准则 在细观基元受力的初始状态 认为细观基元是弹性的 其力学性质可以完全由其弹性模量和泊松比来表达 随着基元应力的增加 摩尔库仑准则和最大拉应力准则分别作为基元破坏的阀值 首先考察拉伸破坏 如果细观基元的最大拉伸应力达到其给定的拉伸应力阀值时 该基元开始发生拉伸破坏 其次 在没有发生拉伸破坏的情况下 再考察剪切破坏 如果细观基元的应力状态满足摩尔库仑准则 该基元发生剪切破坏 破坏后的基元根据设定的残余强度系数可继续承受一定的载荷 破坏基元的本构关系用具有残余强度的弹 脆性本构关系来表达 基元在理想单轴受力状态下满足的剪切破坏与拉伸破坏本构关系如下图所示 基元单轴应力状态下的弹 脆性本构关系 fc0是细观基元的单轴抗压强度 c0是基元的最大压缩主应力达到其单轴抗压强度时对应的最大压缩主应变 fcr为基元残余抗压强度 定义 为基元的残余强度系数 具体表征为fcr fc0 并且假定ftr ft0也成立 这里ft0是细观基元的单轴抗拉强度 ftr是基元初始拉伸破坏时的残余强度 t0是弹性极限所对应的拉伸应变 该应变可以叫做拉伸破坏应变阀值 tu是基元的极限拉伸应变 定义 为极限应变系数 具体表征为 tu t0 这里残余强度系数 和极限应变系数 都是用于细观基元本构关系中的重要参数 当残余强度系数 较大时 上图所示的本构关系也称之为弹 脆 塑性本构关系 RFPA SRM在对土坡进行稳定性分析的时候 假设土体是均匀的理想弹塑性材料 计算本构模型采用理想弹塑性本构模型 由于土体为典型的抗压不抗拉地质材料 抵抗拉伸应力的能力很低 因此在边坡稳定性计算中更要同时考虑压剪破坏和拉伸破坏 RFPA SRM模型中仍以摩尔库仑准则为剪切破坏判据 以最大拉应力准则为拉伸破坏判据 但模型中土体的抗拉强度值ft0可以设定的很小 计算模型中残余强度系数 设定值为1 极限应变系数可取足够大 模型的本构关系可由上图的弹 脆性本构模型演化成下图所示的理想弹塑性本构模型 以上介绍的本构关系是基于基元在理想单轴应力状态下得出的 基元在三维应力状态下的本构模型及参数关系 在RFPA相关论文中已经进行了全面系统的介绍 基元单轴应力状态下的理想弹 塑性本构关系 强度准则 以边坡分析为例 由于大部分滑坡都是一个边坡渐进破坏诱致失稳的演化过程 而不是一个毫无前兆的突然失稳过程 因此 稳定性分析的一个关键问题是如何根据计算结果来判别边坡是否处于失稳状态 目前边坡分析软件的失稳判据主要有两类 1 在有限元计算过程中采用力和位移求解的不收敛作为边坡失稳的标志 2 以塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡失稳的标志 通常 边坡的失稳会伴随着大位移的出现 而在有限元计算中 大位移的出现是由局部大变形造成的 这种大变形必然造成基元的破坏 RFPA SRM采用折减计算步中出现基元破坏数最大时的时刻作为边坡失稳的临界点 这种方法 在本质上与上述两类方法是一致的 由于RFPA SRM在进行计算分析时 自动记录了每一折减步中的基元破坏个数 用这种方法来判断边坡失稳 简单 有效 RFPA SRM中岩土结构失稳判据 安全系数的定义 安全系数Fs也称稳定系数 是边坡稳定性研究中的一个重要概念 传统边坡稳定性的极限分析中安全系数定义为滑动面的抗滑力与下滑力之比 基于强度储备概念的安全系数Fs的定义为 当材料的抗剪强度参数c和 分别用其临界强度参数c 和 所代替后 边坡将处于临界平衡状态 其中在用有限元计算寻找Fs时 就是不断对强度参数按一定步长或比例进行折减 当计算达到了平衡状态 即边坡失稳破坏时 此时求得的Fs即为边坡的强度储备安全系数 基于上述强度储备的概念 同时结合RFPA的基元本构模型特征 RFPA SRM的强度折减方法采用对初始强度f0折减 f0统一了基元的抗压 抗剪 抗拉强度 折减准则如下 在计算过程中 对强度按一定步长进行折减 则每折减一次 当前的试验强度f0trial就对应一个试验安全系数Fstrial 当基元的破坏数目达到最大值 即边坡失稳的时候 此时的试验安全系数Fstrial即为最终的安全系数Fs 三 离心加载法的基本原理 离心机加载概述 在岩土工程问题研究中 采用小比例尺模型来模拟实际工程是常用的方法 然而常规小比例尺模型由于其自重产生的应力远低于原型 因而不能再现原型的特性 解决这一问题的唯一途径就是提高模型的自重 使之与原型等效 许多研究表明在正常重力下做小比例尺的模型试验 用离心加速是模拟体积力的最有效的方法 RFPA Centrifuge基于离心加载试验的基本原理 将离心加载算法引入到岩石破裂过程分析RFPA系统中 形成了RFPA Centrifuge离心加载法 RFPA Centrifuge方法将继续发挥RFPA在岩土介质破裂过程研究方面的优势 研究岩土工程的安全储备 稳定性发展趋势 自动获得破裂面 同时求出相应稳定性安全系数的目的 更方便 准确 全面地对岩土工程进行分析 旨在为岩土工程的稳定分析提供一种新的便捷 有效方法 RFPA Centrifuge离心机法基本原理离心加载试验 通过离心机高速旋转使土工模型体积力增加 形成人工重力 进而反映工程原型的力学特性 观察破坏模式 了解安全储备 设模型的几何尺寸是原型的1 n倍 原型的容重为 g 为土体质量 g为重力加速度 模型的容重为 m a a为总加速度向量 按照模型与原型的应力相一致的条件 即 p m 得到 ghp ahm 于是 a hp hm g ngRFPA Centrifuge基于对岩石细观层次结构的认识 假定岩石的细观力学性质具有统计性 首先把岩石离散成适当尺度的细观基元 对于这些组成材料的细观基元 考虑其非均匀性特性 按照给定的Weibull统计分布函数 对这些单元的力学性质进行赋值 这样就生成了非均匀岩石的数值试样 这些细观基元可以借助有限元法作为应力分析工具来计算其受载条件下的位移和应力 在此基础上 通过基元破坏分析 考察基元是否破坏 从而获得基元材料性质的新状态 RFPA Centrifuge将细观基元的自重以线性关系 按一定步长逐渐增加 每增加一次 有限元计算程序将进行迭代计算 寻找外力与内力的平衡 同时进行破坏分析 直至边坡宏观失稳破坏 求得数值模型的滑动破坏面 以获得最大破坏单元数的计算步作为边坡失稳的临界点 计算相应的安全系数 强度屈服准则 在细观基元受力的初始状态 细观基元是弹性的 其力学性质可以完全由其弹性模量和泊松比来表达 采用具有拉伸截断的摩尔 库仑准则 包括最大拉应力准则 作为基元破坏的强度阀值 即 当细观基元的最大拉伸应力变达到其给定的拉伸应力阀值时 该基元开始发生拉伸破坏 当细观基元的应力状态满足摩尔 库仑准则时 该基元发生剪切破坏 破坏后的基元根据设定的残余强度系数可继续承受一定的载荷 破坏基元的本构关系用具有残余强度的弹 脆性本构关系来表达 RFPA Centrifuge中以最大的基元破坏数作为边坡失稳的判据 RFPA离心加载法在进行计算分析时 自动记录了每一加载步的基元破坏个数 用这种方法来判断边坡失稳 简单 有效 RFPA Centrifuge中的边坡失稳判据 边坡安全系数的定义 安全系数也称稳定系数 是边坡稳定性研究中的一个重要概念 传统边坡稳定性分析的极限平衡法采用摩尔 库仑屈服准则 安全系数定义为滑动面的抗滑力与下滑力之比 式中 为安全系数 s为滑动面上抗剪强度 为滑动面上实际剪力 RFPA Centrifuge中 让模型单元自重逐步增加 当破裂面贯通时认为边坡失稳 安全储备系数定义为失稳时单元自重与初始单元自重的比值 以K表征 计算公式如下 K Step 1 g 1 Step 1 g式中 K为安全系数 Step为破坏时的加载步数 g为离心加载系数 为容重 四 RFPA SRM版界面介绍 首先 复选上Degradation 输入折减系数 有折减Cohesion值和折减tanFAI两种 如Cohesion折减系数输入0 01 表示每个计算步Cohesion值折减原值的1 安全系数计算公式 Fs 1 1 折减系数 step 其中 step为失稳破坏时的计算步 五 RFPA Centrifuge版界面介绍 复选上Centrifugal 输入离心系数 即Increment g系数 安全系数计算公式 K 1 Step 1 g若 g 0 01 计算第2步的安全系数为1 01 Weibull分布函数 网格划分 YLength mm Xlength m Y方向和X方向的尺寸均为所研究问题的实际尺寸 单位为毫米 建立模型的时候需要将实际尺寸换算成毫米 单元尺寸为实际尺寸除单元个数 Rows Elements Cols Elements 单元列数和行数 单元尺寸的划分原则前面已讲述 HeterogeneityIndex行 为均质度 weibull统计分布函数中的参数m 反映岩石介质的均质性 若模拟地下工程等必须考虑模型本身的重力的工程问题时 需要输入自重的参数 注意自重的单位 N mm3 MeanValue 为单元物理力学参数的平均值 系统自定义 selfdefine 图片类型和尺寸 PictureTypeSize 结果图类型 Type 此命令主要是定义在模型计算完成后要显示图形的类型和尺寸 根据研究问题的需要将相应的结果图选项上钩上即可 图形尺寸 Size 对系统生成的结果图进行大小设置 选Default默认 系统根据窗口大小随机生成 矢量单元间隔 Vectorelementintervals 因为要表示矢量场 用箭头表示矢量的大小方向 箭头方向为矢量方向 箭头长短表示矢量大小 位移矢量放大系数 Displacementvectoramplifiedcoeff 为了计算结果显示的我们能更好的看清以说明问题 对原始矢量大小给予适当的放大 应力矢量放大系数 Stressvectoramplifiedcoeff 解释同位移放大系数 注 这些参数定义可在计算运行命令之前执行 也可在计算命令之后执行 显示步 Showstep 显示步 Showstep 此命令在设置重画计算结果图时候设置 设置重画计算步的间隔 也可在inputredrawstep下面直接输入要重画的计算步 用英文状态下的逗号相隔 重画 Redraw 是系统对计算数据进行重新生成图像的操作 原计算数据不变化 只是新生成的结果图将覆盖和上次生成的名称相同的图形 不同于系统重置 reset 系统自定义 selfdefine 声发射图设置 AEPictureSetting 声发射圆大小 Typesize 设置声发射圆大小 代表相对能量或震级大小 Amplifiedradius是指在原能量圆大小的基础上放大的倍数 所有步 Forallsteps 显示当前所有步的声发射圆 当前步 Forcurrentstep 显示当前单步的声发射圆 发射圆颜色 AEcolor 用声发射圆颜色进行区别单元的破坏是抗拉破坏 抗压破坏 还是抗剪破坏 双击颜色框进行调节 系统自定义 selfdefine 高级设置 AdvancedSetting 主要对破坏后和空气单元的参数进行调整 初学者将词项默认 分离系数 Detachedcoeff 主要为了处理破坏后单元的显示状态 当破坏单元的变形 受拉 达到分离系数指定的变形量时 认为单元已彻底分离 将不在显示此单元 值为1 100 设置为5时 表示当单元的最大变形超过5倍单元原始尺寸时 不再显示此单元 灰度系数 Graydegreecoeff 是通过去掉高亮度单元来调整总体的亮度范围 值在0 1之间 其意义为 假设模型单元数为10 000个 灰度系数为0 01 则表示在显示时去掉10 000 0 01 100个最亮的个单元级别 大位移 Largedisplacement 是在处理自重问题时 当破坏的单元下落的位移超过设置值时 则认为破坏单元脱离母体单元 值为单元边长的倍数 系统自定义 selfdefine 变形放大系数 Deformation 对破模型的尺寸在显示时做放大处理 如有时计算完成后发现模型没有变化则可能