ANSYS边坡工程应用实例分析

1、ANSYS10.0土木工程应用实例分析第4章 ANSYS边坡工程应用实例分析内容提要内容提要本章首先对边坡工程进行了概述，然后介绍了ANSYS模拟边坡稳定性分析的步骤，最后用实例详细介绍了ANSYS进行边坡稳定性分析的全过程。第4章 ANSYS边坡工程应用实例分析本章重点 边坡工程程概述 ANSSYS边坡稳定定性分析析步骤 ANSYYS边坡稳定定性实例例分析本章典型效效果图4.1 边边坡工程程概述4.1.11 边坡工工程边坡指地壳壳表部一一切具有有侧向临临空面的的地质体体，是坡坡面、坡坡顶及其其下部一一定深度度坡体的的总称。坡坡面与坡坡顶面下下部至坡坡脚高程程的岩体体称为坡坡体。倾斜的地面面称

2、为斜斜坡，铁铁路、公公路建筑筑施工中中，所形形成的路路堤斜坡坡称为路路堤边坡坡；开挖挖路堑所所形成的的斜坡称称为路堑堑边坡；水利、市市政或露露天煤矿矿等工程程开挖施施工所形形成的斜斜坡也称称为边坡坡；这些些对应工工程就称称为边坡坡工程对边坡工程程进行地地质分类类时，考考虑了下下述各点点。首先先，按其其物质组组成，即即按组成成边坡的的地层和和岩性，可以分分为岩质质边坡和和土质边边坡(后者包包括黄土土边坡、砂砂土边坡坡、土石石混合边边坡)。地层层和岩性性是决定定边坡工工程地质质特征的的基本因因素之一一，也是是研究区区域性边边坡稳定定问题的的主要依依据.其次，再再按边坡坡的结构构状况进进行分类类。因

3、为为在岩性性相同的的条件下下，坡体体结构是是决定边边坡稳定定状况的的主要因因素，它它直接关关系到边边坡稳定定性的评评价和处处理方法法。最后后，如果果边坡已已经变形形，再按按其主要要变形形形式进行行划分。即即边坡类类属的称称谓顺序序是:岩性 结构变形。边坡工程对对国民经经济建设设有重要要的影响响：在铁铁路、公公路与水水利建设设中，边边坡修建建是不可可避免的的，边坡坡的稳定定性严重重影响到到铁路、公公路与水水利工程程的施工工安全、运运营安全全以及建建设成本本。在路路堤施工工中，在在路堤高高度一定定条件下下，坡角角越大，路路基所占占面积就就越小，反反之越大大。在山山区，坡坡角越大大，则路路堤所需需填

4、方量量越少。因因此，很很有必要要对边坡坡稳定性性进行分分析，4.1.22 边边坡变形形破坏基基本原理理4.1.22.1 应力分分布状态态边坡从其形形成开始始，就处处于各种种应力作作用(自重应应力、构构造应力力、热应应力等)之下。在边坡坡的发展展变化过过程中，由由于边坡坡形态和和结构的的不断改改变以及及自然和和人为营营力的作作用，边边坡的应应力状态态也随之之调整改改变。根据资资料及有有限元法法计算，应应力主要要发生以以下变化化：（1)岩体体中的主主应力迹迹线发生生明显偏偏转，边坡坡坡面附近近最大主主应力方方向和坡坡而平行行，而最最小主应应力方向向则与坡坡面近于于垂直，并并开始出出现水平平方向的的

5、剪应力力，其总总趋势是是由内向向外增多多，愈近近坡脚愈愈高，向向坡内逐逐渐恢复复到原始始应力状状态。(2) 在在坡脚逐逐渐形成成明显的的应力集集中带。边边坡愈陡陡，应力力集中愈愈严重，最最大最小小主应力力的差值值也愈大大。此外外，在边边坡下边边分别形形成切向向应力减减弱带和和水平应应力紧缩缩带，而而在靠近近边坡的的表部所所测得的的应力值值均大于于按上覆覆岩体重重量计算算的数值值。(3) 边边坡坡面面岩体由由于侧向向应力近近于零，实实际上变为两两向受力力。在较较陡边坡坡的坡面面和顶面面，出现现拉应力力，形成成拉应力力带.拉应力力带的分分布位置置与边坡坡的形状状和坡面面的角度度有关。边边坡 应力的

6、的调整和和拉应力力带的出出现，是是边坡变变形破坏坏最初始始的征兆兆。例如如，由于于坡脚应应力的集集中，常常是坡脚脚出现挤挤压破碎碎带的原原因；由于坡坡面及坡坡顶出现现拉应力力带，常常是表层层岩体松松动变形形的原因因。4.1.22.2 边坡岩岩体变形形破坏基基本形式式边坡在复杂杂的内外外地质营营力作用用下形成成，又在在各种因因素作用用下变化化发展。所所有边坡坡都在不不断变形形过程中中，通过过变形逐逐步发展展至破坏坏。其基本本变形破破坏形式式主要有有:松弛张张裂、滑滑动、崩崩塌、倾倾倒、蠕蠕动和流流动。4.1.33 影影响边坡坡稳定性性的因案案影响边坡稳稳定性的的主要因因素有:(1)边坡坡材料力力

7、学特性性参数：包括弹性模模量、泊松松比、摩摩擦角、粘粘结力、容容重、抗剪剪强度等等参数。(2)边坡坡的几何何尺寸参参数：包括边坡高高度、坡坡面角和和边坡边边界尺寸寸以及坡坡面后方方坡体的的几何形形状，即即坡体的的不连续续面与开开挖面的的坡度及及方向之之间的几几何关系系，它将将确定坡坡体的各各个部分分是否滑滑动或塌塌落。(3)边坡坡外部荷荷载： 包括地震震力、重重力场、渗渗流场、地地质构造造地应力力等。4.1.44 边边坡稳定定性的分分析方法法分析边坡稳稳定问题题，基本本上可以以分为两两种方法法：极限平平衡方法法和数值值分析方方法。4.1.44.1 极限平平衡方法法极限平衡方方法的基基本思想想是

8、:以摩尔尔一库仑仑抗剪强强度理论论为基础础，将滑滑坡体划划分成若若干垂直直条块，建建立作用用在垂直直条块上上的力的的平衡方方程式，求求解安全全系数。这种计算分分析方法法遵循下下列基本本假定: (1)遵循循库仑定定律或由由此引伸伸的准则则。(2)将滑滑体作为为均质刚刚性体考考虑，认认为滑体体本身不不变形，且且可以传传递应力力。因此此只研究究滑动面面上的受受力大小小，不研研究滑体体及滑床床内部的的应力状状态。(3)将滑滑体的边边界条件件大大简简化。如如将复杂杂的滑体体型态简简化为简简单的几几何型态态；将滑面面简化为为圆弧面面、平面面或折面面；一般将将立体问问题简化化为平面面问题，取取沿滑动动方向的

9、的代表性性剖面，以以表征滑滑体的基基本型态态；将均布布力简化化为集中中力，有有时还将将力的作作用点简简化为通通过滑体体重心。极限平衡方方法包括括以下几几种方法法：(1)瑞典典圆弧滑滑动法(2)简化化逼肖普普法(3)简布布普通条条分法(4)摩根根斯坦-普赖斯斯法(5)不平平衡推力力传递法法以上各种方方法都是是假定土土体是理理想塑性性材料，把把土条作作为一个个刚体，按按照极限限平衡的的原则进进行力的的分析，最大的的不同之之处在于于对相邻邻上条之之间的内内力作何何种假定定，也就就是如何何增加已已知条件件使超静静定问题题变成静静定问题题。这些些假定的的物理意意义不一一样，所所能满足足的平衡衡条件也也不

10、相同同，计算算步骤有繁繁有简，使使用时必必须注意意他们的的适用场场合。极限平衡方方法关键键是对滑滑体的休休型和滑滑面的形形态进行行分析、正确选选用滑面面的计算算参数以以及正确确引用滑滑体的荷荷载条件件等。因为极限限平衡方方法完全全不考虑虑土体本本身的应应力-应变关关系，不能真真实地反反映边坡坡失稳时时的应力力场和位位移场，因因此而受受到质疑疑。4.1.44.2 数值分分析方法法数值数值分分析方法法考虑土土体应力力应变关关系，克克服了极极限平衡衡方法完完全不考考虑土体体本身的的应力-应变关关系缺点点，为边边坡稳定定分析提提供了较较为正确确和深入入的概念念。边坡稳定性性数值分分析方法法主要包包含以

11、下下几种方方法：(1)有限限元法有限单元法法是数值值模拟方方法在边边坡稳定定评价中中应用最最早的方方法，也也是目前前最广泛泛使用的的一种数数值方法法，可以以用来求求解弹性性、弹塑塑性、粘粘弹塑性性、粘塑塑性等问问题。目目前 用有限限元法求求解边坡坡稳定主主要有两两种方法法。a.有限元元滑面搜搜索法:将边坡坡体离散散为有限限单元格格，按照照施加的的荷载及及边界条条件进行行有限元元计算可可得到每每个结点点的应力力张量。然然后假定定一个滑滑动面，用用有限元元数据给给出滑动动面任一一点的向向正应力力和剪应应力，根根据摩尔尔一库仑仑准则可可得该点点的抗滑滑力，由由此即能能求得滑滑动面上上每个结结点的下下

12、滑力与与抗滑力力，再对对滑动面面上下滑滑力与抗抗滑力进进行积分分，就可可以求得得每一个个滑动面面的安全全系数。b.有限元元强度折折减法:首先选选取初始始折减系系数，将将岩土体体强度参参数进行行折减，将将折减后后的参数数作为输输入，进进行有限限元计算算，若程程序收敛敛，则岩岩土体仍仍处于稳稳定状态态，然后后再增加加折减系系数，直直到程序序恰好不不收敛，此此时的折折减系数数即为稳稳定或安安全系数数。(2)自适适应有限限元法自20世纪纪70年代代开始自自适应理理论被引引入有限限元计算算，主导导思想是是减少前前处理工工作量和和实现网网格离散散的客观观控制。现现已基本本建立了了一般弹弹性力学学、流体体动

13、力学学、渗流流分析等等领域的的平面自自适应分分析系统统，能使使计算较较为快速速和准确确。(3)离散散单元法法离散单元法法的突出出功能是是它在反反映岩块块之间接接触面的的滑移、分分离与倾倾翻等大大位移的的同时，又又能计算算岩块内内部的变变形与应应力分布布。因此，任任何一种种岩体材材料都可可引入到到模型中中，例如如弹性、粘粘弹性或或断裂等等均可考考虑，故故该法对对块状结结构、层层状破裂裂或一般破裂裂结构岩岩体边坡坡比较合合适。并并且，它它利用显显式时间间差分法法(动态差差分法)求解动动力平衡衡方程，求求解非线线性大位位移与动动力问题题比较容容易。离散元法在在模拟过过程中考考虑了边边坡失稳稳破坏的的

14、动态过程，允允许岩土土体存在在滑动、平平移、转转动和岩岩体的断断裂及松松散等复复杂过程程，具有有宏观上上的不连连续性和和单个岩岩块休运运动的随随机性，可可以较真真实、动动态地模模拟边坡坡在形成成和开挖挖过程中中应力、位位移和状状态的变变化，预预测边坡坡的稳定定性，因因此在岩岩质高边边坡稳定定性的研研究中得得到广泛泛的应用用。(4)拉格格朗日元元法为了克服有有限元等等方法不不能求解解大变形形问题的的缺陷，人人们根据据有限差差分法的的原理，提提出了FFLACC数值分分析方法法。该方方法较有有限元法法能更好好地考虑虑岩土体体的不连连续和大大变形特特性，求求解速度度较快。缺缺点是计计算边界界、单元元网

15、格的的划分带带有很大大的随意意性。(5)界面面元法界面元法是是一种基基于累积积单元变变形于界界面的界界面应力力元法模模型，建建立适用用于分析析不连续续、非均均匀、各各向异性性和各类类非线性性问题、场场问题，以以及能够够完全模模拟各类类锚杆复复杂空间间布局和和开挖扰扰动的方方法。4.1.44.3 有限元元法用于于边坡稳稳定性分分析优点点 有限元法考考虑了介介质的变变形特征征，真实实地反应应了边坡坡的受力力状态。它它可以模模拟连续续介质，也也可以模模拟不连连续介质质；能考虑虑边坡沿沿软弱结结构面的的破坏，也也能分析析边坡的的整体稳稳定破坏坏。有限限元法可可以模拟拟边坡的的圆弧滑滑动破坏坏和非圆圆弧

16、滑动动破坏。同同时它还还能适应应各种边边界条件件和不规规则几何何形状，具具有很广广泛的适适用性。有限元法应应用于边边坡工程程，有其其独特的的优越性性。与一一般解析析方法相相比，有有限元法法有以下下优点：(1) 它它考虑了了岩体的的应力-应变关关系，求求出每一一单元的的应力与与变形，反反映了岩岩体真实实工作状状态。(2)与极极限平衡衡法相比比，不需要要进行条条间力的的简化，岩岩体自始始至终处处于平衡衡状态。(3)不需需要像极极限平衡衡法一样样事先假假定边坡坡的滑动动面，边边坡的变变形特性性、塑性性区形成成都根据据实际应应力应变变状态“自然”形成。(4)若岩岩体的初初始应力力己知，可可以模拟拟有构

17、造造应力边边坡的受受力状态态。(5)不但但能像极极限平衡衡法一样样模拟边边坡的整整体破坏坏，还能能模拟边边坡的局局部破坏坏，把边边坡的整整体破坏坏和局部部破坏纳纳入统一一的体系系。(6)可以以模拟边边坡的开开挖过程程，描述述和反应应岩体中中存在的的节理裂裂隙、断断层等构构造面。鉴于有限元元法具有有如此多多优点，本章借助通用有限元软件ANSYS来实现对边坡稳定性分析，用具体的边坡工程实例详细介绍应用ANSYS软件分析边坡稳定性问题。4.2 ANSSYS边坡稳定定性分析析步骤ANSYSS边坡稳稳定性分分析一般般分以下下几个步步骤：1、创建物物理环境境2、建立模模型，划划分网格格，对模模型的不不同区

18、域域赋予特特性3、加边界界条件和和载荷4、求解5、后处理理（查看看计算结结果）4.2.11创建物理理环境在定义边坡坡稳定性性分析问问题的物物理环境境时，进进入ANSSYS前处理理器，建建立这个个边坡稳稳定性分分析的数数学仿真真模型。按按照以下下几个步步骤来建建立物理理环境：设置GUTT菜单过过滤如果你希望望通过GUI路径来来运行ANSSYS，当ANSSYS被激活活后第一一件要做做的事情情就是选选择菜单单路径：Maiin MMenuuPrrefeerenncess，执行行上述命命令后，弹弹出一个个如图44-1所示的的对话框框出现后后，选择择Strructturaal。这样ANSSYS会根据据你所

19、选选择的参参数来对对GUI图形界界面进行行过滤，选选择Strructturaal以便在在进行边边坡稳定定性分析析时过滤滤掉一些些不必要要的菜单单及相应应图形界界面。定义分析标标题（TITTLE）在进行分析析前，可可以给你你所要进进行的分分析起一一个能够够代表所所分析内内容的标标题，比比如“Sloope staabillityy Annalyysiss”，以便便能够从从标题上上与其他他相似物物理几何何模型区区别。用用下列方方法定义义分析标标题。命令：TTITLLEGUI：UUtiliity MennuFFileeChhangge TTitlle说明单元类类型及其其选项（KEYYOPTT选项）与A

20、NSYYS的其他他分析一一样，也也要进行行相应的的单元选选择。ANSSYS软件提提供了100种以上上的单元元类型，可可以用来来模拟工工程中的的各种结结构和材材料，各各种不同同的单元元组合在在一起，成成为具体体的物理理问题的的抽象模模型。例例如，不不同材料料属性的的边坡土土体用PPLANNE822单元来来模拟。大多数单元元类型都都有关键键选项（KEYYOPTTS），这这些选项项用以修修正单元元特性。例例如，PPLANNE822有如下KEYYOPTTS：KEYOPPT(22) 包包含或抑抑制过大大位移设设置KEYOPPT(33) 平面应应力、轴轴对称、平平面应变变或考虑虑厚度的的平面应应力设置置K

21、EYOPPT(99) 用户子子程序初初始应力力设置设置单元以以及其关关键选项项的方式式如下：命令：ETT KKEYOOPTGUI：MMainn Mennu Preeproocesssorr EElemmentt Tyype Addd/EEditt/Deelette图 4-11 GUUI图形界界面过滤滤4定义单位位结构分析只只有时间间单位、长长度单位位和质量量单位三三个基本本单位，则则所有输输入的数数据都应应当是这这三个单单位组成成的表达达方式。如如标准国国际单位位制下，时时间是秒秒（s），长长度是米米（m），质质量是千千克（kg），则则导出力力的单位位是kgm/ss2（相当当于牛顿顿N），材材

22、料的弹弹性模量量单位是是kg/ms2（相当当于帕Pa）。命令：/UUNITTS5、定义材材料属性性大多数单元元类型在在进行程程序分析析时都需需要指定定材料特特性，ANSSYS程序可可方便地地定义各各种材料料的特性性，如结结构材料料属性参参数、热热性能参参数、流流体性能能参数和和电磁性性能参数数等。ANSYSS程序可可定义的的材料特特性有以以下三种种：（1）线性性或非线线性。（2）各向向同性、正正交异性性或非弹弹性。（3）随温温度变化化或不随随温度变变化。因为分析的的边坡模模型采用用理想弹弹塑性模模型（D-P模型），因因此边坡坡稳定性性分析中中需要定定义边坡坡中不同同土体的的材料属属性：容容重、

23、弹弹性模量量、泊松松比、凝凝聚力以以及摩擦擦角。命令：MPPGUI：MMainn MeenuPreeproocesssorrMaaterriall PrropssMaaterriall Moodells 或 Maain MennuSSoluutioonLLoadd Sttep OpttsOOtheerCChannge Matt PrropssMaaterriall Moodells进行边坡稳稳定性分分析计算算时，采采用强度度折减法法来实现现。首先先选取初初始折减减系数F，然后后对边坡坡土体材材料强度度系数进进行折减减，折减减后凝聚聚力以及及摩擦角角分别见见式4-1和式4-2。 (4-11) (

24、4-22)和为边坡土土体的初初始凝聚聚力和摩摩擦角。 对和进行行折减，输输入边坡坡模型计计算，若若收敛，则则此时边边坡是稳稳定的；继续增增大折减减系数F，直到程程序恰好好不收敛敛，此时时的折减减系数即即为稳定定或安全全系数。4.2.22 建立模模型和划划分网格格 创建好物理理环境，就就可以建建立模型型。在进进行边坡坡稳定性性分析时时，需要要建立模模拟边坡坡土体的的PLAANE882单元元。在建建立好的的模型各各个区域域内指定定特性（单单元类型型、选项项、实常常数和材材料性质质等）以以后，就就可以划划分有限限元网格格了。通过GUII为模型型中的各各区赋予予特性：1、选择MMainnMeenu P

25、rreprroceessoor Messhinng Messh AAttrribuutess PPickked Areeas2、点击模模型中要要选定的的区域。3、在对话话框中为为所选定定的区域域说明材材料号、实实常数号号、单元元类型号号和单元元坐标系系号。4、重复以以上三个个步骤，直直至处理理完所有有区域。通过命令为为模型中中的各区区赋予特特性：ASEL（选选择模型型区域）MAT （说说明材料料号）REAL（说说明实常常数组号号）TYPE（指指定单元元类型号号）ESYS（说说明单元元坐标系系号） 4.2.3 施加约约束和荷荷载在施加边界界条件和和荷载时时，既可可以给实实体模型型（关键键点、线线

26、、面）也也可以给给有限元元模型（节节点和单单元）施施加边界界条件和和荷载。在在求解时时，ANSSYS程序会会自动将将加到实实体模型型上的边边界条件件和载荷荷转递到到有限元元模型上上。边坡稳定性性分析中中，主要要是给边边坡两侧侧和底部部施加自自由度约约束。命令：D施加荷载包包括自重重荷载以以及边坡坡开挖荷荷载。4.2.44 求解 接接着就可可以进行行求解，ANSSYS程序根根据现有有选项的的设置，从从数据库库获取模模型和载载荷信息息并进行行计算求求解，将将结果数数据写入入到结果果文件和和数据库库中。命令：SOOLVEEGUI：MMainn MeenuSollutiionSollve Cuurre

27、ent LS4.2.55 后处理理 后处理理的目的的是以图图和表的的形式描描述计算算结果。对对于边坡坡稳定性性分析中中，进入入后处理理器后，查查看边坡坡变形图图和节点点的位移移、应力力和应变变。随着着强度折折减系数数的增大大，边坡坡的水平平位移增增大，塑塑性应变变急剧发发展，塑塑性区发发展形成成一个贯贯通区域域时，计计算不收收敛，认认为边坡坡发生了了破坏。通通过研究究位移、应应变和塑塑性区域域，来综综合判断断边坡的的稳定性性。命令：PPOSTT1GUI： Maiin Mennu Genneraal PPosttprooc4.2.66 补充说说明边坡的失稳稳破坏定定义有很很多种，对对于采用用弹塑

28、性性计算模模型的边边坡，需需要综合合考虑以以下因素素:（1）把有有限元计计算的收收敛与否否作为一一个重要要的衡量量指标，边边坡处于于稳定状状态，计计算收敛敛，边坡坡破坏时时，边坡坡不收敛敛。（2）边坡坡失稳的的同时还还表现出出位移急急剧增加加。 （3）边坡失失稳总是是伴随着着塑性变变形的明明显增加加和塑性性区的发发展，塑塑性区的的发展状状况反映映了边坡坡是否处处于稳定定状态。此外，采用用弹塑性性有限元元法进行行计算，它它具有独独特的优优势：(1)弹塑塑性分析析假定岩岩体为弹弹塑性材材料，岩岩体在受受力初期期处于弹弹性状态态，达到到一定的的屈服准准则后，处处于塑性性状态。采采用弹塑塑性模型型更能

29、反反应岩体体的实际际工作状状态。(2)岩体体所承受受的荷载载超过材材料强度度时，就就会出现现明显的的滑移破破坏面。因因此，弹弹塑性计计算不需需要假定定破坏面面的形状状和位置置，破坏坏面根据据剪应力力强度理理论自动动形成。当当整个边边坡破坏坏时，就就会出现现明显的的塑性区区。(3 )能能综合考考虑边坡坡的局部部失稳和和整体失失稳破坏坏。4.3 AANSYYS边坡稳稳定性实实例分析析4.3.11 实例例描述图4-2 边坡模模型边坡实例选选取国内内某矿，该该边坡考考虑弹性性和塑性性两种材材料，边边坡尺寸寸如图4-2所示。分分析目的的是对该该边坡进进行稳定定性计算算分析，以以判断其其稳定性性和计算算出

30、安全全系数，该边坡围岩材料属性见表4-1。表4-1 边坡模模型围岩岩参数类别弹性模量/Gpaa泊松比容重/内聚力/Mpa摩擦角（。）围岩2（弹弹塑性）300.2525000.942围岩1（弹弹性）310.242700-对于像边坡坡这样纵纵向很长长的实体体，计算算模型可可以简化化为平面面应变问问题。假假定边坡坡所承受受的外力力不随ZZ轴变化化，位移移和应变变都发生生在自身身平面内内。对于于边坡变变形和稳稳定性分分析，这这种平面面假设是是合理的的。实测测经验表表明，边边坡的影影响范围围在2倍坡高高范围，因因此本文文计算区区域为边边坡体横横向延伸伸2倍坡高高，纵向向延伸33倍坡高高。两侧侧边界水水平

31、位移移为零，下下侧边界界竖向位位移为零零。弹性性有限元元的计算算模型如如图4-2所示示。采用双层模模型，模模型上部部为理想想弹塑性性材料，下下部为弹弹性材料料，左右右边界水水平位移移为零，下下边界竖竖向位移移为零。双层模型考考虑土体体的弹塑塑性变形形，其塑塑性区的的发展，应应力的分分布更符符合实际际情况。考虑双层模模型，塑塑性区下下部的单单元可以以产生一一定的垂垂直变形形和水平平变形，基基本消除除了由于于边界效效应在边边坡下部部出现的的塑性区区，更好好地模拟拟了边坡坡的变形形和塑性性区的发发展。4.3.22 GUUI操作方方法4.3.22.1 创建物物理环境境1) 在【开开始】菜菜单中依依次选

32、取取【所有有程序】/【ANSSYS110.00】/【ANSSYS Prooducct LLaunncheer】，得得到“10.0ANNSYSS Prroduuct Lauunchher”对话框框。2）选中【Fille MManaagemmentt】，在“Worrkinng DDireectoory”栏输入入工作目目录“D:anssysexaamplle4-1”，在“Jobb Naame”栏输入入文件名名“Sloope”。3）单击“RUN”按钮，进进入ANSSYS110.00的GUI操作界界面。4）过滤图图形界面面：Maain Mennu Preeferrencces，弹弹出“Preeferre

33、ncces forr GUUI FFiltteriing”对话框框，选中中“Strructturaal”来对后后面的分分析进行行菜单及及相应的的图形界界面过滤滤。5）定义工工作标题题：Uttiliity Mennu Fille Chaangee Tiitlee，在弹弹出的对对话框中中输入“Sloope staabillityy Annalyysiss”，单击“OK”，如图图4-3。图4-3 定义工工作标题题6）定义单单元类型型：a.定义PPLANNE822单元：Maiin MMenuu PPrepproccesssor Ellemeent Typpe Addd/Eddit/Delletee，弹

34、出出一个单单元类型型对话框框，单击击“Add”按钮。弹弹出如图图4-44所示对对话框。在该对话框左面滚动栏中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择“Quad 8node 82”，单击“Apply”，就定义了“PLANE82”单元。图4-4 定义PLLANEE82单单元对话话框 bb.设定PLLANEE82单单元选项项：Maain Mennu Preeproocesssorr EElemmentt Tyype Addd/EEditt/Deelette，弹弹出一个个单元类类型对话话框，选选中“Typpe 22 PLLANEE82”，单击“Opttionns”按钮，弹弹出一个个“PLAANE882

35、 eelemmentt Tyype opttionns”对话框框，如图图4-5所示。在在“Eleemennt bbehaavioor KK3”栏后面面的下拉拉菜单中中选取“Plaane strrainn”，其它它栏后面面的下拉拉菜单采采用ANSSYS默认设设置就可可以，单单击“OK”按钮。图4-5 PLLANEE82单单元库类类型选项项对话框框通过设置PPLANNE822单元选选项“K3”为“Plaane strrainn”来设定定本实例例分析采采取平面面应变模模型进行行分析。因为边坡是纵向很长的实体，故计算模型可以简化为平面应变问题。8节点PLLANEE82单元每每个节点点有UX和UY两个自

36、自由度，比4节点PLANE42单元具有更高的精确性，对不规则网格适应性更强。7）定义材材料属性性a.定义边边坡围岩岩1材料属性性：Maiin MMenuu PPrepproccesssor Maaterriall Prropss MMateeriaal MModeels，弹弹出“Deffinee Maaterriall Moodell Beehavviorr”对话框框，如图图4-6所示。图 4-66 定义材材料本构构模型对对话框 在在图4-6中右右边栏中中连续双双击“Strructturaal Linnearr EllastticIsootroopicc”后，又又弹出如如图4-7所示“Linn

37、earr Issotrropiic PPropperttiess foor MMateeriaal NNumbber 1”对话框框，在该该对话框框中“EX”后面的的输入栏栏输入“3E10”，在“PRXXY” 后面的的输入栏栏输入“0.225”，单击“OK”。再在在选中“Dennsitty”并双击击，弹出出如图44-8所所示“Dennsitty ffor Matteriial Nummberr 1”对话框框，在“DENNS”后面的的栏中输输入边坡坡土体材材料的密密度“2500”，单击“OK”按钮。再次在图44-6中右边边的栏中中连续双双击“StrructturaalNNonllineear In

38、nelaastiicNNon-mettal plaastiicittyddrucckerr-prrageer”后，又又弹出一一个如图图4-99所示对对话框。在“Cohesion”栏添入边坡围岩材料1的内聚力“0.9E6”，在“Fric Angle” 栏添入边坡内摩擦角“42”，单击“OK”按钮。 图 4-77 线弹性性材料模模型对话话框 图 4-8材料密密度输入入对话框框图4-9 定义边坡坡材料1DP模型型对话框框 b.定义边坡坡围岩2材料属属性：在在图4-6对话框框中，单单击“Matteriial Neew MModeel”， 弹出一一个“Deffinee Maaterriall IDD”对

39、话框框，在“ID”栏后面面输入材材料编号号“2”，单击“OK”按钮。弹弹出一个个定义材材料模型型对话框框对话框框，选中中“Matteriial Moddel Nummberr 2”，和定定义边坡坡围岩1材料一一样，在在右边的的栏中连连续双击击“Strructturaal Linnearr EllastticIsootroopicc”后，又又弹出一一个“Linnearr Issotrropiic PPropperttiess foor MMateeriaal NNumbber 2”对话框框，在该该对话框框中“EX”后面的的输入栏栏输入“3.2E100”，在“PRXXY” 后面的的输入栏栏输入“0

40、.24”，单击“OK”。再选选中“Dennsitty”并双击击，弹出出一个“Dennsitty ffor Matteriial Nummberr 2”对话框框，在“DENNS”后面的的栏中输输入隧道道围岩材材料的密密度“2700”，再单单击“OK”按钮，弹弹出一个个定义材材料模型型对话框框。 cc.复制制边坡围围岩1材料性性质：在在图4-6对话框框中，用用鼠标点点击“Ediitccopyy.”，弹出出一个“Coppy MMateeriaal MModeel”对话框框，如图图4-110所示。在在“froom MMateeriaal nnumbber”栏后面面的下拉拉菜单中中选取“1”，在“TO

41、Matteriial nummberr”栏后面面输入“3”，单击“Appply”按钮。又又弹出如如土4-110所示对对话框，然后依次在“TO Material number”栏后面输入“4”、“5”、“6”、“7”、“8”“9”、“10”，“11”、“12”、“13”，每输入一个数，就单击“Apply”按钮一次。图 4-110 复制本本构模型型对话框框 最最后得到到10个复制围围岩1的边坡坡材料本本构模型型，如图4-111所示。图4-111 定义强强度折减减后材料料模型对对话框图4-122 定义强强度折减减系数F=11.2时围岩岩材料对对话框d.定义110个强度折折减后材材料本构构模型：首先定

42、定义强度度折减系系数F=1.22后边坡坡围岩材材料模型型，在图图4-111对话框框中，在在鼠标依依次双击击“Matteriial Moddel Nummberr 3/Druucpeer-PPragger”。弹出出一个“Druuckeer- Praagerr Maaterriall Nuumbeer 33”，如图4-112所示，在在“Cohhesiion”栏添入入强度折折减系数数F=11.2后边坡坡围岩材材料1的内聚聚力“0.775E66”，在“Friic AAnglle” 栏添入入折减后后边坡内内摩擦角角“37.7”，单击“OK”按钮。用相同方法法定义强强度折减减系数分分别为：F=11.4、F

43、=11.6、F=11.8、F=22.0、F=22.2、F=22.4、F=22.6、F=22.8、F=33.0的边坡坡围岩材材料本构构模型。定义强度折折减后本本构模型型目的是是为了分分析边坡坡稳定性性。强度折减就就是降低低内聚力力和摩擦擦角，根根据式4-1和式4-2进行折折减。4.3.22.2 建立立模型和和划分网网格1）创建边边坡线模模型a.输入关关键点：Maiin MMenuu PPrepproccesssor Moodellingg CrreatteKKeyppoinntsIn Acttivee CSS，弹出“Creeae Keyypoiintss inn Acctivve CCooeed

44、innatee Syysteem”对话框框，如图图4-113所示。在在“NPTT keeypoointt nuumbeer”栏后面面输入“1”，在“X，Y，Z LLocaatioon iin aactiive CS”栏后面面输入“（0，0，0）”，单击“Appply”按钮，这这样就创创建了关关键点1。再依依次重复复在“NPTT keeypoointt nuumbeer”栏后面面输入“2、3、4、5、6、7、8、9”，在对对应“X，Y，Z LLocaatioon iin aactiive CS”栏后面面输入“（-800，0，0）、（-800，-800，0）、（-800，-12200，0）、（11

45、200，-12200，0）、（11200，-800，0）、（1200，0，0）、（1200，378，0）、（430，378，0），最后后单击“OK”按钮。图4-133在当前前坐标系系创建关关键点对对话框b.创建边边坡线模模型：Maiin MMenuu PPrepproccesssor Moodellingg CrreatteLLineesSStraaighht llinee，弹出“Creeae strraigght linnes”对话框框，用鼠鼠标依次次点击关关键点1、2，单击“Appply”按钮，这这样就创创建了直直接L1，同样样分别连连接关键键点“2、3”，“3、4”，“4、5”，“5、6

46、”，“6、7”，“7、4”，“7、8”，“8、9”，“9、1”，“9、2”，最后后单击“OK”按钮，就就得到边边坡线模模型，如如图4-114所示。图4-144 边坡坡线模型型3）创建边边坡面模模型a.打开面面编号显显示：UUtillityy Meenu PllotCCtrlls Nummberringg，弹出“Ploot NNumbberiing Conntrools”对话框框，如图图4-115所示。选选中“Aarres Nummberrs” 选项，后后面的文文字由“off”变为“on”,单击“OK”关闭窗窗口。图4-155 打开面面编号对对话框图4-166 边坡面面模型b.创建边边坡面模模型

47、：MMainn Meenu Prreprroceessoor Moddeliing CrreatteAAreaas Arbbitrraryy by llinee，弹出出一个“Creeatee Arrea by linnes”对话框框，在图图形中选选取线L4、L5、L3和L11，点点击“Appply ”按钮，就就生成了了边坡弹弹性材料料区域面面积A1；再依依次用鼠鼠标在图图形中选选取线L1、L2、L6、L10、和L11，点击“Appply ”按钮，就就生成了了边坡塑塑性材料料区域面面积A2；再依依次用鼠鼠标在图图形中选选取线L7、L8、L10和L9，点点击“OK ”按钮，就就生成了了边坡开开挖掉

48、区区域面积积A3。最后后得到边边坡模型型的面模模型，如如图4-116所示。 44）划分边坡坡围岩2单元网网格 aa. .给边坡围围岩2赋予材材料特性性：Maain Mennu Preeproocesssorr MMeshhingg MMeshhToool，弹弹出“MesshToool”对话框框，如图图4-117所示。在在“Eleemennt AAttrribuutess”后面的的下拉式式选择栏栏中选择择“Areeas”，按“Set”按钮，弹弹出一个个“Areeas Atttribbutees”面拾取取框，在在图形界界面上拾拾取边坡坡围岩2区域，单单击拾取取框上的的“OK”按钮，又又弹出一一个如

49、图图4-118所示的的“Areeas Atttribbutees”对话框框，在“Matteriial nummberr”后面的的下拉式式选择栏栏中选取取“2”，在“Eleemennt ttypee nuumbeer ” 后面的的下拉式式选择栏栏中选取取“2 PPLANNE822”，单击“Appply”。 图4-177 网格划划分工具具栏 图图4-118定义单单元属性性对话框框 bb.设置网网格划分分份数：在图4-117工具栏栏中“Sizze CConttroll”栏，用用鼠标点点击“linnes”后面的“Set”，弹出出一个选选择对话话框，用用鼠标在在图形选选择线L3和L5。弹出出一个“Ele

50、emennt SSizees oon PPickked Linnes”，对话话框，如如图4-119所示，在在“No of eleemennt ddiviisioon”栏后面面输入“5”，单击“Appply”按钮，再再选择线线L4和L11，又弹弹出图4-119对话框框，在“No of eleemennt ddiviisioon”栏后面面输入“26”，单击“OK”按钮。c.划分单单元网格格：在图图4-17网格划划分工具具栏中单单击“Messh”按钮，弹弹出一个个拾取面面积对话话框，拾拾取面积A1，单单击拾取取框上的的“OK”按钮，生生成边坡坡围岩2单元网网格。图 4-119 设置网网格份数数对话框

51、框5）划分边边坡围岩岩1单元网网格 图44-200 选取线线对话框框 图4-221 设置网网格分数数对话框框a.设置网网格份数数：Maain MennuPPrepproccesssorMesshinngSSizee CnntrllsMManuualSSizeeLaayerrsPPickked Linnes，弹弹出一个个“Sett Laayerr Coontrrolss”对话框框，如图图4-220所示示，用鼠鼠标选取取线L1、L1和L6单击“OK”按钮。弹弹出一个个“Areea LLayeer MMeshh Coontrrol on Picckedd liiness”对话框框，如图4-221所示

52、，在在“No of linne ddiviisioon”栏后面面输入“10”，单击“OK”按钮。相同方法设设置线L8和L10分割割份数为为16；设设置线L7和L9线的分分割份数数为122。 bb. 给边坡围围岩1赋予材材料特性性：Maain Mennu Preeproocesssorr MMeshhingg MMeshhToool，弹弹出“MesshToool”对话框框，如图图4-17所示。在在“Eleemennt AAttrribuutess”后面的的下拉式式选择栏栏中选择择“Areeas”，按“Set”按钮，弹弹出一个个“Areeas Atttribbutees”面拾取取框，在在图形界界面

53、上拾拾取面A2和A3，单单击拾取取框上的的“OK”按钮，又又弹出一一个 “Areeas Atttribbutees”对话框框，在“Matteriial nummberr”后面的的下拉式式选择栏栏中选取取“1”，在“Eleemennt ttypee nuumbeer ” 后面的的下拉式式选择栏栏中选取取“2 PPLANNE822”，单击“Appply”。 cc.划分单单元网格格：在图图3-997网格格划分工工具栏中中单击“Messh”按钮，弹弹出一个个拾取面面积对话话框，拾拾取围岩岩，单击击拾取框框上的“OK”按钮，生生成边坡坡围岩1单元网网格。最后得到边边坡模型型单元网网格，如如图4-22所所

54、示。图4-222 边坡模模型单元元网格4.3.22.3 施加约约束和荷荷载 11）给边坡坡模型施加加约束a.给边坡坡模型两两边施加加约束：执行MMainn MeenuSollutiionDeffinee LooadssAppplyySttruccturralDispllaceemenntoon NNodees，弹出出在节点点上施加加位移约约束对话话框，用用鼠标选选取隧道道模型两两侧边界界上所有有节点，单单击“OK”按钮。弹弹出“Appply U,RROT on Noddes”对话框框，如图图4-223所示示，在“DOFFS tto bbe cconsstraaineed”栏后面面中选取取“UX

55、”，在“Appply as”栏后面面的下拉拉菜单中中选取“Connstaant vallue”，在“Dissplaacemmentt vaaluee”栏后面面输入“0”值，然然后单击击“OK”按钮。 图4-233 给模型型两侧施施加位移移约束对对话框 图4-224 给模型型底部施施加位移移约束对对话框b.给模型型底部施施加约束束：执行行Maiin MMenuuSooluttionnDeefinne LLoadds AppplyStrructturaalDispllaceemenntoon NNodees，弹出在在节点上上施加位位移约束束对话框框，用鼠鼠标选取取隧道模模型底部部边界上上所有节节点

56、，单单击“OK”按钮。弹弹出图44-244所示对对话框，在“DOFS to be constrained”栏后面中选取“UX、UY”，在“Apply as”栏后面的下拉菜单中选取“Constant value”，在“Displacement value”栏后面输入“0”值，然后单击“OK”按钮。节点选择，可可以先选选择节点点上线，再再选择附附在线上上的节点点。 2）施施加重力力加速度度：Maain MennuSSoluutioonDeffinee LooadssAppplyySttruccturralIneertiiaGGravvityy，弹出“Appply(Graavittatiionaal

57、)AAcceelerratiion”对话框框，如图图4-25所示示。只需需在“Glooball Caarteesiaan YY-coomp”栏后面面输入重重力加速速度值“9.8”就可以以，单击击“OK”按钮，就就完成了了重力加加速度的的施加。图4-255 施加重重力加速速度对话话框 这这时就可可以得到到施加约约束和重重力加速速度后隧隧道有限限元模型型，如图图4-225所示示。图4-255 施加约约束和重重力荷载载后边坡坡模型4.3.22.4 求解1）求解设设置a.指定求求解类型型：Maain MennuSSoluutioonAAnallysiis TTypeeNeew AAnallysiis，

58、弹弹出一个个如图44-255所示对对话框，在“Type of analysis”栏后面选中“Static”，单击“OK”按钮。图4-255 指定求求解类型型对话框框b.设置载载荷步： Maiin MMenuuPrreprroceessoorLLoaddsAAnallysiis TTypeeSoolnn Coontrrolss，弹出出一个“Sollutiion Conntrools”对话框框，用鼠鼠标单击击“Bassic”选项，如如图4-26所示，在在“Nummberr off Suubsttepss”栏后面面输入“5”，在“Maxx noo. oof ssubsstepps”栏后面面输入“10

59、0”，在“Minn noo. oof ssubsstepps”栏后面面输入“1”，单击“OK”按钮。图4-266设置载载荷步对对话框 c.设设置线性性搜索：Maiin MMenuuSooluttionnAnnalyysiss TyypeSolln Conntrools，弹弹出一个个“Sollutiion Conntrools”对话框框，用鼠鼠标单击击“Nonnlinnearr”选项，如如图4-27所示示，在“Linne ssearrch”栏后面面下拉菜菜单选中中“ON”，单击“OK”。图4-277 设置线线性搜索索对话框框 d. 设定牛牛顿-拉普森森选项：Maiin MMenuuSoolutt

60、ionnAnnalyysiss TyypeAnaalyssis Opttionns，弹弹出一个个“Staaticc orr Stteaddy-sstattic Anaalyssis”对话框框，如图图4-228所示示，在“Neww-Raaphsson opttionn”栏后面面下拉菜菜单选中中“Fulll NN-R”，单击“OK”按钮。图4-288 设定牛牛顿-拉普森森选项e.打开大大位移求求解：MMainn MeenuPreeproocesssorrLooadssAnnalyysiss TyypeSolln ConntroolsBassic，得得到图44-266所示对对话框，在“Analysi