ANSYS在边坡工程中应用

1、岩土工程赵文刚0910202165Ansys边坡工程应用摘要：对于边坡问题而言，土体的屈服主要是由于剪切因素造成的，因而Mohr_column准则 是最适用于边坡问题计算的，但ansys中针对土体的塑性屈服准则只是DruckPragerz 准则，该准则不太适用于边坡问题的计算，本次计算中将通过弹性模型来计算滑体的 位移和应力场，然后通过定义单元表的形式将Mohr_Clumn引入，并对各个单元的屈 服状态进行判断，从而得到满足Mohr-Column准则的边坡塑性区分布图。应用于现代 边坡治理。关键词：边坡工程；ansys应用；边坡是自然或人工形成的斜坡，为防止边坡失稳造成破坏，我国边坡常采用改变

2、坡体几 何形态、排水工程、挡墙、抗滑桩、拦石栅栏、坡面防护、植被防护、加筋土等技术提高边 坡稳定性。这些方法具有经济实用等优点，在边坡防护中发挥了重要作用，但也存在稳定效 果欠佳、景观效果差等缺点，近年来随着建筑材料以及新技术的发明，上述边坡治理技术不 断得到改进发展，并在实际工程中应用，有效应用于铁路边坡治理。目前，边坡稳定分析的理论和方法主要有3种：极限平衡理论，室内模型研究和数值分 析理论。传统的极限平衡法在计算边坡的稳定性时，由于没有考虑到土体内部的应力一应变关 系，所求出的安全系数只是假定滑坡面的平均安全度。又由于其工作状态时虚拟的，求出的 土条间的滑面底部的反力，当然不能代表土体在

3、产生滑移变形时真实存在的力，据此无法分 析边坡破坏的发生，发展过程，当然也就无法分析在降雨条件下边坡破坏的发生，发展过程。随着数值分析理论的成熟和电算技术的发展，有限元分析方法在边坡的稳定性分析中得 到越来越多的应用。采用有限元分析方法的优点主要包括：a）破坏面的形状或位置不需要事先假定，破坏“自然地”发生在土的抗剪强度不能 抵抗剪应力的地带。b）由于有限元法引入变形协调的本构关系，因此也不必引入假定条件，保持了严密 的理论体系。c）有限元解提供了应力，变形的全部信息。除此之外，有限元方法还能够考虑岩体的不连续性，岩体应力一应变关系的非线性特性 及力学性质方面的各向异性；能够计算岩体的弹性变形

4、状态，也能够计算岩体的破坏状态； 不但可以考虑岩体中的地应力或区域构造应力条件，也可以考虑一些特定条件的作用与影 响，诸如地下水的渗流问题，蠕变问题等。1问题描述某滑坡位于基岩上，且与基岩呈不规则弧形接触。地质勘测表明，在正常情况下， 该滑体基本上是稳定的，但若受大型降雨的影响，随着滑体饱和度的增加，滑体容重也会增 加，而滑体的粘聚力和内摩擦角等物性参数将降低，因而滑体有可能出于不稳定状态，且滑 体的滑动面最有可能产生在滑体与基岩的接触面上，如下图所示。本例将通过有限元计算分 析降雨对该滑体稳定性的影响。图1某边坡示意图其中基岩的物性参数如下：弹性模量E=20GPa,泊松比v=0.22,容重r

5、=26KN/m3滑体在正常状态下的饱和度为16.4%，随着降雨量的增加，饱和度也逐渐增加。滑体物 性参数与饱和度的关系如下表1所示。表1滑体物性参数与饱和度的关系饱和度/ %16.435506580100E/GPa32.72.42.11.81.5C/KPa605552.551.250.850中/353331.53130.530Y（kN/m3）21.421.822.122.422.723.0为了减小边界效应对计算结果的影响，在有限元计算中取模型宽为 m，左边界高炜 506m，右边界高炜198m，如图1所示。对于边坡问题而言，土体的屈服主要是由于剪切因素造成的，因而MohrColumn准则 是最适

6、用于边坡问题计算的，但ANSYS中针对土体的塑性屈服准则只有DruckPrager准 则，该准则不太适用于边坡问题的计算。本次计算将通过弹性模型来计算滑体的位移和应力 场，然后通过定义单元表的形式将MohrColumn引入，并将对各个单元的屈服状态进行判 断，从而得到满足MohrColumn准则的边坡塑性区分布图。2模型的建立互式方式启动ANSYS程序。设置工作路径和文件名，定义分析类型，本次进行 的有限元分析为结构类，选中Structural(结构)复选项，同时，程序的求解方法采用h-method.进入前处理器，定义该滑坡问题的单元类型，本模型中只含有Plane42 一种单元， 由于本计算是

7、针对二维平面应变问题，因而需要将Plane42的KEYOPT(3)设置为2。定义模型中的材料参数，模型中包含7中材料，包括基岩和不同饱和度下的滑 坡材料参数。分别定义岩体泊松比，岩体密度，滑体初始参数，饱和度35%，50%，65%， 80%，100%的弹性模量，饱和度100%的泊松比，饱和度100%的密度。2,4建立几何模型并划分单元。由于模型的几何形状较为复杂，故采用自底向上的建 模方式，首先生成点，然后生成面，最后划分单元。建立好的模型如下图2载与求解载TYPE NUM所JUL 1 2U1010:28:32JUL 1 201(10:52:49PHJT ND.图2某边坡几何模型图边坡几何模型

8、建立好以后，按照平面三角形单元形式划分网格。边坡有限元模型如图3某边坡有限元模型3该边坡模型的求解内容主要包括两个方面:一是求解自重固结力下的应力和位移场; 二是计算不同饱和度下的位移和应力场。过程如下。3,1施加边界条件，进行求解设置，指定荷载子步为20,打开大变形，设置成new-lapnace 迭代，启用非线性求解预测器，启用线性搜索。分别约束节点X,Y方向位移，选择所 有元素后，施加重力加速度。3,2求解自重应力场。3,3求解不同饱和度下的应力和位移场。分别求解饱和度为35%，50%，65%，80%， 100%时的应力和位移场。4计算结果分析4,1初始状态下的边坡稳定性求解完成后，读入第

9、一步计算结果，考查该边坡在自重作用下的应力，位移及剪应 力和剪应变的云图。进入通用后处理器，分别运行入戏的命令：/postlset,1plnsol,s,y,0,1！初始状态下的自重应力场plnsol,u,y,0,1！初始状态下的位移场plnsol,s,xy,0,1！初始状态下的剪应力plnsol,epto,xy,0,1！初始状态下的剪应变绘图结果如图4一图7示NCDM SOLUTICNSTEFFI SOB =7 TIME1JUL 1 2010 10:43:46 PLOT NO. 1SY(AVG)RSYS=0MX =.149395SMN =-.116E+08SMX =-51606图6初始状态下的

10、剪应力云图/Pa4,2饱和水状态下边坡稳定性采用Mohr-Column准则对饱和水状态下的塑性区分布进行计算，其中饱和水状态下 的物性参数为：C=50KPa，9=30。在饱水状态下，该滑坡的塑性区分布如图8所示。定程度上组织了滑体的进一步发5 结语可以采用大变形弹塑性有限元极限塑性应变分析法进行滑坡稳定性分析，得到滑坡接 近破坏状态时滑坡体的极限塑性应变破坏区,然后据此确定滑坡的滑动面，并根据极限状态下 塑性应变值的大小确定滑面不同抗剪强度取值段。野外工程地质勘探揭示，采用大变形弹塑性有限元极限塑性应变分析法确定碎石土滑 坡的潜在滑动面与实际滑动面基本吻合。采用全面考虑滑面上岩土体抗剪强度不同发挥程度的不平衡推力法可以更加精确地 计算碎石