【《基于ANSYS软件的某隧道出口处边坡稳定性分析案例》5800字（论文）】

基于ANSYS软件的某隧道出口处边坡稳定性分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u24601基于ANSYS软件的某隧道出口处边坡稳定性分析案例 1199631.1研究原理 1131741.2计算模型建立 6315031.3自然状态下边坡稳定性分析 9276101.4开挖状态下边坡稳定性分析 11296041.5地震状态下边坡稳定性分析 13314811.6小结 17随着时代科技的进步，计算机的运算能力以及储存空间得到了巨大提升，同时计算机计算时所使用的的方法也更加高效、科学，对于还未系统研究方法的各领域，运用数值模拟方法进行探索是国内外学者常用的有力手段。同时数值模拟计算分析也广泛应用到了岩体力学中，有限元是求解边值问题的近似解的一种技术，随着有限元的不断发展与技术成熟，为工程各项研究的开展、预测、各种优化与辅助设计提供了支撑，进而促进了发展。运用有限元方法分析边坡稳定性的优势在于可以十分直观的模拟出边坡各状态下的失稳过程，得到准确的位移、应力数据；对于较为复杂的边坡同样适用；为使得结果更符合实际，对于岩土体的的非线性弹塑性应力应变关系、坡体出现变形时对于应力的影响进行了充分考虑。通过对现场实地调查并且结合相应的基础资料，五里墩隧道进口处边坡的地层岩性为砂岩与灰岩，地层连续性与整体性都处于较好状态，本章运用Flac3D这一有限差分数值模拟软件对五里墩隧道出口边坡稳定性进行研究。1.1研究原理Flac3D在二维有限差分数值模拟软件Flac2D的基础上进行升级和扩展，是国内外学者在岩体工程研究中常用的一个专业数值模拟软件ADDINNE.Ref.{1B8DB0AF-B81E-43D9-9F18-04DA50ACD7F9}[57]，可以用于三维状态下对土质边坡、岩石等材料进行受力时的特征模拟与流动分析。对三维状态下网络单元的多角度调整；进行现实情况下结构的拟合。单元材料采用应力应变模型（线性或者非线性），当受到外界力的作用时，单元材料达到屈服条件产生破坏，三维网络也会随之产生大变形，得出位移数值。Flac3D软件主要运用显示Lagrange计算法与混合离散区分手段，在材料不需要形成刚度矩阵的情况下，对于材料发生的各种破坏能非常快速且准确的进行模拟，所以，Flac3D软件不需较大内存就可以对大面积的问题进行三维下的模拟ADDINNE.Ref.{2C879B20-67C3-420B-B75E-055092860279}[58]。摩尔库伦本构模型简介（1）塑性流动理论的增量方程在一般情况下，可将破坏准则表示为fσn=0在式（4-1）中，f是用来判断塑性流动什么时候开始的已知屈服函数。处于主应力空间的时候为一曲面，而处于曲面内的应力点均视为处于弹性状态。塑性状态下的应变增量可用弹性应变增量与塑性应变增量相加来表示：∆εi=∆弹性应变增量和弹性应力增量的关系表示为：∆σ式（4-3）中，Si∆εip能够得到的应力矢量应该满足的屈服方程：fσn+∆估计塑性应变增量矢量的表达式,且考虑到Si∆σi=再将流动法则代入得：∆σi=假定破坏函数fσfσ其中，f∗代表函数f减去其常量值，即f对于位于屈服面上的应力点，fσf∗此时，定义新的应力分量为：σiN=σi+∆σi (4-10)σi根据式（4-8），可得：fσiI综合式（4-6），（4-9），可得λ：λ=fσnIf∗Sn利用应力增量的表达式可以对应力进行估算，新的应力可表示为：σiN=莫尔库伦模型的破坏包线由剪切破坏和拉伸破坏两种包线组成的。相关联的流动法则同发生剪切破坏，不相关联的流动法则同发生拉伸破坏一一对应。Flac3D软件当中，莫尔库伦模型在σ1，σ2，σ3主应力空间中表示，与之相对应的应变分量为主应变ε1，（2）弹性增量方程在主应力空间中，虎克定律的增量可用以下式子表示：∆∆σ2=∆式（4-15）中，α1和ααα2=式（4-15）可改写为：SS2εS（3）复合破坏准则摩尔库仑准则与最大拉应力准则是模型所使用的复合破坏准则。三个主应力为σ1≤σ图4-1Flac3D莫尔库伦破坏准则破坏包线fσ1,fs在B到C上由拉伸破坏准则ftft式中，∅为摩擦角，C为粘聚力，σN∅根据图4-1，可以得知fs=0和σ1σmaxt（4）流动法则方程gs和gt用于描述塑性势面，gs用来定义剪切塑性流动，gt用来定义程分别用来定义拉伸塑性流动。函数gs为不相关联的流动法则，gs=σ1−σ在式（4-22）中，ψ为膨胀角，Nψ函数gtgt函数hσ1,σ3=0h=σapap图4-2莫尔库伦模型－流动法则由图4-2所示，σiI所对应的应力点处于范围1当中中，发生了剪切破坏，应力点处于曲线fs=0上，通过塑性势方程gs1.2计算模型建立根据中铁二院提供的研究区三维等高线图（图4-3），通过现场实地勘查确定研究区的危险截面，在地形图上选择五里墩隧道所在截面，考虑到Flac3D的前处理不足问题，本章通过将AutoCAD、ANSYS软件、Flac3D数值模拟软件综合运用建立研究区的边坡模型，通过模拟得出截面边坡位移情况、应力应变分布情况进而分析边坡可能发生的破坏模式。简化合并相似地层，结合由等高线截选出的地面线，根据中铁二院提供的相关地勘资料来划分岩层，在CAD中绘制边坡的准确剖面（图4-4），在ANSYS软件中进行三维模型的建立赋予边坡相应参数（4-5），需要注意进行网格划分时隧道口和边坡需要定义为不同的组，这样才能在Flac3D中进行开挖状态下的模拟。图4-3五里墩隧道出口三维等高线图图4-4五里墩出口剖面图图4-5软件中划分所得的网格进行边坡数值模拟所用模型详细情况见图4-6。边坡凌空面方向设定为X方向，边坡走向设定为Y方向，边坡高度方向设为Z方向。模型高706m，长797m，宽70m。根据现场勘查及相关资料，边坡岩性划分为碎石土、砂岩、灰岩。按6节点单元划分网格，共9486个节点、7355个单元。按照最初始的应力场仅考虑自重应力来模拟三种工况下边坡的稳定性，分别是自然工况、开挖工况以及地震荷载变形过程。主要流程为：①自然工况下仅考虑自身重力的情况来模拟边坡的变形特征；②对自然工况下产生的位移进行清除，模拟五里墩隧道出口开挖时的变形特征，根据现场勘查开挖分2步进行，首先开挖碎石土，然后开挖隧道出口处强风化砂岩。③将第一步产生的位移以及周边约束进行清除，施加动荷载模拟地震对自然边坡的影响。图4-6计算模型示意图计算参数选取根据中铁二院勘查资料和实地勘查结果与室内试验，五里墩隧道出口边坡岩土体物理力学指标建议值见表4-1。表4-1研究区域岩体物理力学指标岩石名称时代成因状态密度ρ(g/cm3)内聚力C(MPa)内摩擦角φ(°)弹性模量E(GPa)泊松比v碎石土Q4dl+col稍密-中密2.100.02250.250.25砂岩T1bW32.45254520.30.26W22.60305020.30.26灰岩C+PW32.303040500.22W22.504045600.31（2）边界条件和收敛标准本模型的边界条件为：底部和侧面均约束3个方向的位移。采用Flac3D软件自身默认的收敛标准。（3）屈服破坏准则运用当前在岩土工程研究分析中使用最为高频的非关联流动剪切摩尔库伦屈服准则。1.3自然状态下边坡稳定性分析数值模拟结果与分析（1）位移由图可知：边坡的位移变形最大发生部位在碎石层，最大位移约为2.4cm。边坡的稳定性主要和水平位移有关，边坡最大水平位移处于坡体碎石层，位移值约为1cm，具有朝X方向（临空）运动的趋势；边坡竖向位移云图表明碎石层z向位移较大。从边坡变形矢量图可以明显看出碎石层位移的方向，此处岩土体有破坏的可能，主要是因为该处坡体岩土体较为破碎，岩体具有向临空面滑移趋势。这与现场的勘察结果基本吻合，该处上部为陡立岩体风化破坏较严重并且有落石滑落。故该处可能会出现滑坡、落石等地质灾害。图4-7天然-位移图4-8天然-水平位移 图4-9天然-竖向位移图4-10边坡变形矢量（2）应力由图4-11所示边坡的竖向应力图可知，由于受到了自重的很大影响，压应力是竖直方向的主要应力分布，从边坡表面到坡体内部，应力值有上升的一个动向，整体趋势是向坡脚方向延伸，在合理的范围内，也会出现一些局部的略为明显的变化。由自然工况下水平应力云图（4-12）可知，坡体内部、坡底为压应力区，碎石层及坡体表面为拉应力。坡体内部应力具有一定的起伏波动，应力没有明显的规律分布，可以得出在X方向的应力没有明显规律并且呈不均匀分布。由边坡的剪应变云图可知：碎石层和风化层接触面应变量较大，该处可能具有剪出下滑的趋势，处于不稳定状态。坡体内部风化层之间的剪切应变增量较小，相对比较稳定。图4-11天然-竖向应力图4-12天然-水平应力图4-13剪切应变1.4开挖状态下边坡稳定性分析通过自然边坡计算分析可知，坡脚处碎石层可能对隧道出口产生威胁，因此本次计算分别模拟开挖块石层情况下边坡的应力应变情况。其结果如下：（1）位移分析由碎石层开挖后边坡的位移云图可以看出开挖口上部边坡位移较大，最大为21.02cm；开挖口上部边坡处水平位移最大为13.5cm，出现在隧道洞口周边及上部的坡体中，因此开挖时应注意防护坡体洞口上部岩体向临空面的运动而对施工和洞口产生影响；边坡竖向位移云图的变化趋势和边坡位移云图变化趋势基本一致，最大竖向位移为16cm。由位移矢量图可看出，由于碎石层的开挖导致岩体应力的释放，开挖部位的下边岩体具有运动的趋势，上边岩体具有向下运动的趋势。图4-14开挖-位移图4-15开挖-水平位移图4-16开挖-竖向位移图4-17边坡变形矢量（2）应力分析由边坡的竖向应力图4-18可知，在自身重力起主导作用的同时，开挖卸荷也改变了坡体的应力分布。与自然状态下坡体应力分布基本相同，开挖状态下应力值会随着坡体表面向下深度的加大呈现增大趋势，整体趋势是向坡面向延伸，坡体表面出现拉应力集中。由开挖下边坡水平方向应力云图4-19可知，水平应力向坡面方向减小，开挖处由自然状态下的以压应力为主转变为开挖后的以拉应力为主，在坡体碎石层处拉应力集中分布，坡脚处拉应力与自然状态下无明显变化，坡体内部应力具有一定的起伏波动，应力没有明显的规律分布，可以得出在X方向的应力没有明显规律并且呈不均匀分布。由边坡剪切应变云图4-20可以看到，最大剪切应变值出现在在五里墩隧道出口开挖角部位，最大值为3.45×10-2，该处可能具有剪出下滑的趋势，处于不稳定状态，可能会发生滑动。图4-18开挖-竖直方向应力图4-19开挖-水平方向应力图4-20开挖-剪切应变1.5地震状态下边坡稳定性分析研究区隶属四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县，依据《建筑抗震设计规范》（G50011-2010）和中国地震烈度区划图(1990)，研究区的抗震设防烈度为8度，设定地震加速度值为0.20g，区域地震分组情况与建筑场地类别情况分别为第一组和Ⅱ类，反应谱特征周期0.35s，阻尼比5%。在地震和开挖工况下，施加静力边界条件，底部施加动荷载，边坡经历10s震荡模拟。图4-21输入8度地震烈度时地震波曲线（水平EW向0.2g，10s）（Y轴为加速度单位：g，X轴为时间单位：s）（1）位移分析边坡随时间变化的位移如下图4-22、图4-23所示，当模型计算到5秒时，出现了位移的极值区，极值区在斜坡表面碎石层，极值区范围相对较小并分为两个区域，最大值约2.23cm，最小值约2.2cm，处于坡面下部；当模型计算到10秒时，斜坡位移的极值区出现在坡面前中部，位移值进一步变大，约5.88cm，最小值在坡体底部，值约5.8cm。通过这个过程，可以发现，相比于斜坡的其他部位，斜坡的坡体前缘和后缘的相对硬岩部位，块石层部位容易产生极值。图4-225秒时边坡位移云图图4-2310秒时位移云图（2）应力分析边坡随时间变化的剪应力如图4-24、图4-25所示，从中可以看出，模型剪应力集中分布变化不大，最大压应力值主要在坡体内部；剪应力极值随时间的增加有所变化，但变化不大。剪应力极值小于岩体抗剪强度，斜坡还未发生破坏。图4-245秒时边坡剪应力云图图4-2510秒时边坡剪应力云图边坡模型在整个动力计算过程中，最小主应力除受到重力作用的影响，还受岩体变形的影响。最小主应力分布随时间的变化如图4-26、图4-24所示，从图可以看出，最小主应力分布随着时间几乎没有变化，云图的条带与地表临空面基本平行，分布均匀，最大压应力值在坡体底部，由深部至表层逐渐减小，并转变为拉应力，最大拉应力出现在坡体表面。图4-265秒时边坡最小主应力云图图4-2710秒时边坡最小主应力云图边坡的最大主应力的分布情况一般主要受重力的影响，在对边坡进行地震模拟时，5s到10s最大主应力变化情况如图4-28、图4-29所示，边坡最大主应力无明显变化，边坡内部最大主应力为压应力，分布比较规律和均匀，最大压应力值在坡体底部，由内部到边坡表面应力逐渐发生转换，最