搜索基于ANSYS的均質(zhì)土層邊坡穩(wěn)定性分析
2017-03-27 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
1、引言
邊坡是天然斜坡和人工邊坡的總稱[1]。邊坡失穩(wěn)是生態(tài)環(huán)境和工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的廣泛且嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一,給世界各國人民的生命財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來了巨大韻損失。例如,美洲的美國每年因滑坡而造成的損失達(dá)10億多美元[2],歐洲的意大利金1963年發(fā)生的瓦依昂水庫庫岸滑坡,造成2500多人死亡,水庫也因此失效。我國是一個滑坡、崩塌災(zāi)害較為頻發(fā)的國家,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),進(jìn)十年來幾乎每年平均有一次重大崩、滑災(zāi)害事件[3]。因此,研究邊坡變形破壞的意義是不言而喻的。邊坡的穩(wěn)定性問題一直是土木工程中的一個非常重要的問題。不論是修建高速公路、鐵路、機(jī)場等交通設(shè)施,還是建造礦井、大壩和大型建筑工程等大都需要分析邊坡的穩(wěn)定性。
為了達(dá)到對滑坡的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行分析,本文采用了彈塑性大變形有限元方法。眾所周知,分析邊坡問題時,普遍采用德魯克一普拉格屈服準(zhǔn)則,但這一準(zhǔn)則在平面上與摩爾一庫侖不等角六邊形出入很大,難以滿足在計(jì)算中的精度,本文根據(jù)前人的研究成果,將德魯克一普拉格屈服準(zhǔn)則塑性參數(shù)進(jìn)行變化,從而將其轉(zhuǎn)化為摩爾一庫侖等面積圓準(zhǔn)則;同時采用強(qiáng)度折減技術(shù)對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析,研究了二維邊坡穩(wěn)定性問題。
2、計(jì)算方法
邊坡穩(wěn)定性主要采用強(qiáng)度折減有限元法,指出邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界破壞狀態(tài)時對土的剪切強(qiáng)度進(jìn)行折減的程度,即定義穩(wěn)定安全系數(shù)是土的實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時折減后的剪切強(qiáng)度的比值,這種強(qiáng)度折減技術(shù)特別適合于用有限元方法來實(shí)現(xiàn)。其優(yōu)點(diǎn)有①.能夠?qū)哂袕?fù)雜地貌、地質(zhì)的邊坡進(jìn)行計(jì)算;②考慮土體的本構(gòu)關(guān)系,以及變形對應(yīng)力的影響;③.能夠模擬土坡的滑移面形狀,滑移面大致在水平位移突變的地方及塑性變形發(fā)展嚴(yán)重的地方;④.能夠模擬土體與支護(hù)結(jié)構(gòu)的共同作用;⑤.求解穩(wěn)定安全系數(shù)時可以不需要假定滑移面的形狀,也無需進(jìn)行條分。
2.1強(qiáng)度折減技術(shù)的計(jì)算原理
對于天然的、無支護(hù)結(jié)構(gòu),具有簡單剖面的均質(zhì)邊坡,從直觀意義上能夠比較準(zhǔn)確地把握潛在破壞面的位置與形狀,從而采用極限平衡法能夠較方便地確定邊坡的臨界破壞面及相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。但是,實(shí)際中無論是天然邊坡還是人工填土邊坡或切土邊坡,往往斷面比較復(fù)雜。同時一般為保證邊坡的穩(wěn)定性而必須采取一定的加筋或加支護(hù)措施。對于這種具有復(fù)雜斷面或加筋,加固的邊坡,由于難于事先確定滑動面的形狀與位置,傳統(tǒng)極限平衡條分法的應(yīng)用受到了限制。1975年Zienkiewicz等首次在土木彈塑性有限元數(shù)值分析中提出了抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)概念。由此所確定的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)與Bishopza在極限平衡法中所給出的穩(wěn)定安全系數(shù)在概念上是一致的?？辜魪?qiáng)度折減系數(shù)(SSRFahearstrength reduction factor)定義為:在外荷載保持不變的情況下,邊坡內(nèi)土體所發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度與外荷載在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力之比。外荷載所產(chǎn)生的實(shí)際剪應(yīng)力應(yīng)與抵御外荷載所發(fā)揮的最低抗剪強(qiáng)度即按照實(shí)際強(qiáng)度指標(biāo)折減后浙確定的、實(shí)際中得以發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度相等。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮程度相同時。這種抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)定義為邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)。由此所確定的安全系數(shù)可以認(rèn)為是強(qiáng)度儲備安全系數(shù),而在地基極限承載力與傳統(tǒng)邊坡穩(wěn)定性分析中所采用的常規(guī)安全系數(shù)一般是指荷載增大系數(shù)(或加載系數(shù))。強(qiáng)度折減概念能夠?qū)?qiáng)度儲各安全系數(shù)與邊坡的整體穩(wěn)定安全系數(shù)統(tǒng)一起來。而且在有限元數(shù)值分析中無需事先確定破壞面形狀與位置。因此在實(shí)際中逐漸得到廣泛應(yīng)用。
在基于強(qiáng)度折減概念的彈塑性有限元數(shù)值分析中,對于域內(nèi)某一點(diǎn),按照Bishop安全系數(shù)的一般定義。同時考慮到該點(diǎn)的抗剪強(qiáng)度,可用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則表示為:
2.2 顆粒狀材料(混凝土、巖石和土壤)的4種屈服準(zhǔn)則
2.3屈服準(zhǔn)則在大型通用程序ANSYS中的實(shí)現(xiàn)
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現(xiàn)場培訓(xùn):結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)工程應(yīng)用培訓(xùn)
培訓(xùn)地點(diǎn):北京 時間:2017年03月17日-03月20日
3、計(jì)算實(shí)例
圖5到圖12給出了強(qiáng)度折減系數(shù)從1.1到1.7的y方向的位移云圖和等效塑性應(yīng)變云圖,當(dāng)F=1.75時計(jì)算發(fā)散說明邊坡的穩(wěn)定系數(shù)在1.7到1.75之間。隨著強(qiáng)度折減系數(shù)的增加,邊坡的y方向最大位移隨之增大,且邊坡的等效塑性應(yīng)變從邊坡底部移動至邊坡上部,且在邊坡即將發(fā)生破壞時即F=1.7時,這條等效塑性帶貫穿這個邊坡,且經(jīng)過破腳。這也是邊坡即將破壞的重要標(biāo)志。通過這個實(shí)例的計(jì)算說明ansys在能夠處理復(fù)雜的邊坡穩(wěn)定性問題。為我們利用數(shù)值解法研究邊坡穩(wěn)定性提供了一個重要途徑。
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