ANSYS在边坡稳定分析中的应用_图文

1、第35卷第6期2006年12月贵州工业大学学报(自然科学版 JOURNAL OF GU IZHOU UN IV ERSIT Y OF TECHNOLO GY(Natural Science Edition Vol. 35No. 6December. 2006文章编号:100920193(2006 0620078204ANSYS 在边坡稳定分析中的应用罗启北, 万海涛, 张艳霞(贵州大学土建学院, 贵州贵阳550003摘要:利用ANSYS 提供的非线性弹塑性模型, 采用建立在强度缩小有限元分析基础上的边坡稳定分析理论进行坝坡的稳定分析计算, 并给出了滑裂面及安全系数。计算结果显示, 用ANSYS

2、 分析坝坡稳定具有一定的实用性和可靠性。关键词:有限元;ANSYS ; 边坡稳定中图分类号:TV3文献标识码 :A0引言目前, :, 滑移线场法等。这些建立在极限平, 无法分析边坡破坏的发生和发展过程, 1。随着计算机软件、硬件的飞速发展, 采用理论体。有限单元法全面满足了静力许可、应变相容和应力、, 有限元方法不仅能计算出土体内的应力场分布, 还可以了解边坡逐步破坏机理, 跟踪边坡内塑性区的开展情况。将有限元分析方法应用于坝体的稳定计算中, 可以通过对坝体应力应变的分析, 更好地分析坝体的稳定性和估计裂缝的发展。与传统的极限平衡法相比, 边坡稳定分析的有限元法有以下优点:(1 能够对复杂地貌

3、、地质的边坡进行计算。(2 破坏面的形状或位置不需要事先假定。破坏“自然地”发生在抗剪强度不能抵抗剪应力的地带。(3 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。(4 有限元提供了应力应变的全部信息。近期在将有限元计算成果与传统的安全系数结合起来, 直接用于边坡设计的判断依据的研究获得了一定的成果, 如建立在强度缩小有限元分析基础上的边坡稳定分析原理等2, 本文将利用这些理论成果, 结合有限元分析软件ANSYS , 进行坝坡的静力稳定分析。1计算理论本文计算采用的是理想弹塑性模型。目前流行的大型有限元分析软件ANSYS 采用德洛克(Druker 和普拉格

4、(Prager 提出的广义米塞斯准则, 即Druker -Prager 准则3:I 1+J 2=k f (1式中:、k f 为材料常数; I 1为第一应力不变量, J 2为第二应力偏量不变量。根据ANSYS 提供的非线性弹塑性模型Druker -Prager 模型, 使用广义米塞斯屈服准则, 流动法则可用、相关联流动法则或不相关联流动法则, 模型忽略硬化规则的影响。k 分别为:=(2 (3-sin (3 k =(3-sin 收稿日期:2006-09-28作者简介:罗启北(1956- , 男 , 副教授, 主要从事水工结构方面的教学、科研与工程实践工作.第6期罗启北, 等:ANSYS在边坡稳定分

5、析中的应用79式中:c 为材料的粘聚力, 为材料的内磨擦角。屈服函数为:F =I 1+J 2-k (4其屈服面是摩尔-库仑屈服准则外角点的外接圆, 见图1. 建立在强度缩小有限元分析基础上的边坡稳定分析的基本原理是将边坡强度参数粘聚力c 和摩擦系数tg 同时除以一个折减系数F s , 得到一组新的c 和值。然后作为一组新的材料参数输入, 再进行有限元计算。当计算不收敛时, 对应的F s就为坝坡的最小安全系数, 此时坝坡达到极限状态, 发生剪切破坏, 同时可得到临界滑动面。ANSYS 提供了岩土的非线性弹塑性模型, 模型遵循Druker -Prager 准则, 适应于相关联流动法则和不相关联流动

6、法则(根据剪胀角的值确定 。采用八节点四边形单元(每个单元有四个高-Prager 准则斯点 , 。假定土体开始为弹性的, 模型在网格内所有高斯点生成正应力和剪应力Druker -Prager 准则相比。如果特定高斯点上的应力在D -P 。如果位于圆锥上或圆锥外, 则该点处于屈服状态。利用弹塑性算法, 。当足够数目的高斯点发生屈服使机制发生变化时, , 如表1所示:表1六个参数的土体模型C 剪胀角E v 摩擦角凝聚力杨氏模量泊松比容重一个土质边坡的安全系数是这样定义的:为了使边坡达到破坏, 给原始的剪切强度参数除以一个数, 这个数就是安全系数。则经过折减的剪切强度参数c f 和f 变为:c f

7、=c /F s (5f =arctan F s (6传统的边坡稳定极限平衡法采用摩尔-库仑屈服准则, 安全系数定义为沿滑裂面的抗剪强度与滑裂面上实际剪力的比值, 用公式表示如下:F s =(c +n tan d l d l (7 将上式两边同时除以F s , 则式(7 变为:1=+d l n d l =(c f +n tan f d ld l (8上式左端等于1, 表明当材料强度折减F s 以后, 边坡达到极限状态。可以看出, 有限元强度缩减法本质上与传统边坡稳定分析方法是一致的4。在指定的最大迭代次数内, 如果算法不能收敛, 就意味着没有发现同时既能满足D -P 破坏准则又能满足整体平衡的应

8、力分布。如果算法不能满足这些准则, 则说明破坏已经发生了。边坡破坏和数值上的不收敛同时发生, 并且伴随着网格中节点位移的显著增加。用位移的网格图和向量图来显示安全系数和破坏机80 制的特性。贵州工业大学学报(自然科学版 2006年2算例验证本文采用强度缩减有限元分析理论, 用ANSYS 计算了文献1中给出的算例, 得到了较为满意的结果。算例为有基层的均质边坡, 坡角为25. 67°, =20°, D =1. 5, H =10m , C =10KPa , E =100Mpa , =20KN/m 3, =0. 3, 左边边界和地基右边边界受水平向约束, 地基底部边界完全固定,

9、如图2所示。在迭代限度内不断改变F s 的值, 直到计算不收敛。当F s =1. 703时, 计算不收敛, 即没有同时既满足破坏准则又满足整体平衡的应力分布, 即已经发生破坏。从图6-图7可以清楚地看到滑弧出现的位置。用ANSYS 计算的安全系数F =1. 703和Bishop 和Morgenstern (1960 5给出该例的安全系数F =1. 752相比, 极为接近, 说明用ANSYS 提供的模型进行边坡稳定分析计算是可行的 。(a 没有变形的网格(b 与不收敛解F s =1. 703相对应的网格 图3节点位移向量图图4节点总位移等值线图3工程应用某电厂灰场, 初期坝为堆石坝, 各级子坝为

10、粘土坝, 有限元坝坡稳定分析选择终期坝连续降雨48小时后的工况进行计算, 根据渗流分析的结果, 将粉煤灰分为湿灰和干灰。分析采用平面四边形四节点等参元。底部面为固定边界, 坝面为自由边界, 灰库尾端具有X 方向约束。具体划分网格模型如图5. 为模拟全坝的材料性质, 各单元赋予不同的材料号, 分别模拟初期坝堆石料, 干粉煤灰, 湿粉煤灰, 子坝土料。本次静力分析所选材料的参数见表2. 表2有限元静力计算材料参数材料名称初期坝堆石料子坝土料干粉煤灰料湿粉煤灰料(° 凝聚力C (K pa 摩擦角(KPa 剪胀角杨氏模量E 00007E +051E +051E +051E +05泊松比容重(

11、KN/m 3 35232022521550. 250. 250. 250. 2520. 919. 712. 313. 7当安全系数F =1. 6时, 计算不收敛, 表明这时坝体已经破坏。图6给出了此时坝体的总位移等值线图, 图7给出了此时终期坝网格变形图。从图中可以比较清楚地看出滑弧可能出现的位置。4结论通过上述分析计算, 得出以下结论: 第6期罗启北, 等:ANSYS在边坡稳定分析中的应用81图5终期坝中-中剖面计算模型图6 终期坝节点总位移等值线图图7终期坝网格变形图(1 有限单元法不需要作任何假定, , 计算结果可靠。有限元法能分析各种复杂形状、, 。(2 定系数, , 此时的强度折减系

12、数即为所求的边坡安全系数。(3 、网格划分的粗细应满足有限元计算的精度, 如果网格划分太粗, 造成较大的误差。, 利用ANSYS 提供的非线性弹塑性模型进行边坡稳定分析计算是可行的。参考文献1陈祖煜. 土质边坡稳定分析:原理方法程序M .北京:中国水利水电出版社. 2003.2Griiffith ,D. V. and Lane ,P. A. Slope stability analysis by finite elementsJ.G eotechnique. 1999. 49(3 :387-403. 3郝文化. ANSYS 土木工程应用实例M .北京:中国水利水电出版社,2005.4钱家欢,

13、殷宗泽. 土工原理与计算M .北京:中国水利水电出版社. 1996.5Bishop ,A. W. and Morgenstern ,N. R. Stability Coefficients for Earth slopesM .G eotechnique. 1960.Application of ANSYS in Slope Stability AnalysisL UO Qi -bei 1,WAN Hai - tao 2,ZHAN G Yan -xia 3(1. School of Civil Engineering and Architecture , Guizhou University

14、, Guiyang 550003, China 2. Guiyang Hydropower Investigation Design &Research Institute ,CHECC , Guiyang ,550005,China Abstract :Using the nonlinear plasticity Druker -Prager model offered by ANSYS ,the safety factor ofslope through c and reduction algorithm by finite elements was analyzed and calculated ,and the slopesafety factor was given. Through a series of cases studies ,t