基于ANSYS有限元软件的边坡稳定性分析

基于ANSYS有限元软件的边坡稳定性分析摘要：随着计算力学、计算数学、工程管理学与计算机科学的快速发展，数值模拟的技术随之变得越来越成熟。本文使用ANSYS有限元软件来模拟边坡，运用强度折减法，分析凝聚力和内摩擦角对边坡安全系数的影响，获得相应的位移云图。把安全系数作为判断边坡稳定性的一个重要的指标，从而及时地发现和避免可能发生的滑坡、崩塌等自然灾害，尽可能地降低人民生命和财产的损失。关键词：边坡；稳定性；有限元软件；数值模拟；强度折减法引言边坡是指地壳表面具有侧向临空面的地质体，由坡面、坡顶与其下方一定深度的岩土体构成。边坡存在于大量的工程中，包括但不限于铁路、公路和水利工程等。近年来，滑坡，泥石流，山体崩塌等灾害时有发生，严重危害了人民的生命及财产安全，给人们的生活造成了重大的威胁，边坡稳定成为社会各界广泛关注的一个问题。不仅如此，边坡是否稳定会严重影响工程的施工安全、运营安全和建设成本，因此，边坡的稳定性有分析研究的充分必要。运用数值模拟的方法研究边坡稳定性最早使用的就是有限元法，也是现在最常用的数值模拟方法。有限元法充分考虑了介质的变形特征，能够正确地反应边坡的受力状态。既能考虑到边坡沿软弱结构面破坏，还能分析边坡的整体稳定破坏。1ANSYS有限元软件简介FEA(FiniteElementAnalysis)是一种高效的，常用的计算方法，它是将连续的对象离散化成若干个有限大小的单元体的集合，从而求解连续体的力学问题。ANSYS有限元软件包含多中有限元分析类型，从简单的线性静态分析到复杂的非线性动态分析都能够进行计算求解。2参数选取及计算模型建立2.1选取背景参数本次数值模拟以国内某矿边坡为对象，采用有限元软件ANSYS分析该边坡结构在不同力学参数条件下的应力应变情况，并判断其稳定性。边坡的材料属性如表1所示。2.2建立计算模型对于边坡这种纵向比较长的实体，计算模型可简化成平面应变问题，即认为边坡所受的外力不随Z轴变化，其在外力作用下所发生的位移和应变都只在自身平面内。在对边坡的变形和稳定性进行分析时，这种假定是合理的。边坡的左右两侧边界的位移约束条件是水平位移为零，下侧边界的约束条件是竖向位移为零。有限元计算模型如图1所示。图1边坡计算模型表1材料物理力学参数名称容重/kN/m3弹性模量/GPa泊松比内摩擦角/°凝聚力/MPa岩土体200.80.3170.42使用Plane42实体单元根据表1中容重、弹性模量和泊松比定义边坡的岩土体。2.3确定荷载边坡的岩土体自重在有限元模型上通过ANSYS程序添加重力荷载(g=9.8m/s2)，岩土体的重度取20000N/m33强度折减法的原理强度折减法是指，为了使岩土处于临界破坏失稳的状态，不断折减岩土的材料参数强度（抗拉强度与抗剪强度），折减的系数F即为安全系数。根据摩尔-库伦屈服准则选择岩土的本构模型，把岩土的稳定性系数F定义为抗拉强度与抗剪强度同等减少值。式中：为凝聚力，为折减后的凝聚力；为内摩擦角，为折减后的内摩擦角。在定义边坡岩土体时，首先根据表1中的凝聚力与内摩擦角作为原始参数。如果计算结果收敛，则根据上述公式不断增加折减系数F，再将折减后的参数输入程序中计算，如此反复操作，直至岩土体失稳。本文以有限元软件迭代计算不再收敛作为岩土失稳的判据。边坡数值模拟的强度折减表如表2所示。强度折减系数F凝聚力/MPa内摩擦角/°1.00.4217………………1.30.32313.231.40.312.321.50.2811.521.510.27811.451.520.27611.37表2强度折减表4计算结果及分析4.1折减系数F为1.5时的结果当强度折减系数F=1.5时，边坡在水平方向上的最大位移为14.03mm。从塑性应变云图可以看出，边坡模型中有明显的塑性应变，最大的塑性应变达0.014，坡脚处的塑性区斜向上发展。4.2折减系数F为1.51时的结果当折减系数F=1.51时，边坡在水平方向上的最大位移为14.033mm。从塑性应变云图可以看出，此时的边坡模型中绝大部分都出现了塑性应变，最大处的塑性应变达到3.216，塑性区进一步增大至坡顶，说明此时的边坡已经不再稳定，也就是说边坡发生了破坏。4.3折减系数F为1.52时的结果当折减系数F=1.52时，计算结果已不再收敛。4.4结果分析从边坡模型的变形图可以看出，随着强度折减系的F的不断增大，边坡的变形也逐渐增大。当F=1.52时，结果不再收敛。从图8可以看出此时的边坡的破坏面近似呈圆弧状，说明此时边坡结构已经不安全了。从边坡的X水平位移云图可以看出，随着强度折减系数F的不断增大，边坡的水平位移发生较大波动，随着强度折减系数的增大，水平位移先增大然后再减小。这也说明此时边坡发生了破坏。从边坡的塑性应变云图可以看出，随着强度折减系数F的不断增大，塑性应变从无到有逐渐增大，塑性区也随之逐渐增大，当折减系数F达到1.51时，塑性区延长至坡顶。当F=1.52时，解不收敛，因此，该模型的安全系数应该为1.51。5总结本文通过ANSYS有限元对二维的均质边坡进行了稳定性分析，认识到在材料属性以及边坡尺寸、边界条件等条件不变的情况下，边坡的稳定性随着强度折减系数的增大而减弱。在实际生产生活中，可以利用有限元软件对存在的边坡进行稳定性分析，从而确保生产生活的安全性，确保人民的