ANSYS边坡综合项目工程应用实例分析.docx
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ANSYS边坡综合项目工程应用实例分析
第4章ANSYS边坡工程应用实例分析
本章重点
边坡工程概述
ANSYS边坡稳定性分析环节
ANSYS边坡稳定性实例分析
本章典型效果图
4.1边坡工程概述
4.1.1边坡工程
边坡指地壳表部一切具备侧向临空面地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体总称。
坡面与坡顶面下部至坡脚高程岩体称为坡体。
倾斜地面称为斜坡，铁路、公路建筑施工中，所形成路堤斜坡称为路堤边坡；开挖路堑所形成斜坡称为路堑边坡；水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成斜坡也称为边坡；这些相应工程就称为边坡工程
对边坡工程进行地质分类时，考虑了下述各点。
一方面，按其物质构成，即按构成边坡地层和岩性，可以分为岩质边坡和土质边坡（后者涉及黄土边坡、砂土边坡、土石混合边坡）。
地层和岩性是决定边坡工程地质特性基本因素之一，也是研究区域性边坡稳定问题重要根据.另一方面，再按边坡构造状况进行分类。
由于在岩性相似条件下，坡体构造是决定边坡稳定状况重要因素，它直接关系到边坡稳定性评价和解决办法。
最后，如果边坡已经变形，再按其重要变形形式进行划分。
即边坡类属称谓顺序是:
岩性—构造—变形。
边坡工程对国民经济建设有重要影响：
在铁路、公路与水利建设中，边坡修建是不可避免，边坡稳定性严重影响到铁路、公路与水利工程施工安全、运营安全以及建设成本。
在路堤施工中，在路堤高度一定条件下，坡角越大，路基所占面积就越小，反之越大。
在山区，坡角越大，则路堤所需填方量越少。
因而，很有必要对边坡稳定性进行分析，
4.1.2边坡变形破坏基本原理
4.1.2.1应力分布状态
边坡从其形成开始，就处在各种应力作用（自重应力、构造应力、热应力等）之下。
在边坡发展变化过程中，由于边坡形态和构造不断变化以及自然和人为营力作用，边坡应力状态也随之调节治变。
依照资料及有限元法计算，应力重要发生如下变化：
（1）岩体中主应力迹线发生明显偏转，边坡坡面附近最大主应力方向和坡而平行，而最小主应力方向则与坡面近于垂直，并开始浮现水平方向剪应力，其总趋势是由内向外增多，愈近坡脚愈高，向坡内逐渐恢复到原始应力状态。
（2）在坡脚逐渐形成明显应力集中带。
边坡愈陡，应力集中愈严重，最大最小主应力差值也愈大。
此外，在边坡下边分别形成切向应力削弱带和水平应力紧缩带，而在接近边坡表部所测得应力值均不不大于按上覆岩体重量计算数值。
（3）边坡坡面岩体由于侧向应力近于零，事实上变为两向受力。
在较陡边坡坡面和顶面，浮现拉应力，形成拉应力带.拉应力带分布位置与边坡形状和坡面角度关于。
边坡应力调节和拉应力带浮现，是边坡变形破坏最初始征兆。
例如，由于坡脚应力集中，常是坡脚浮现挤压破碎带因素；由于坡面及坡顶浮现拉应力带，常是表层岩体松动变形因素。
4.1.2.2边坡岩体变形破坏基本形式
边坡在复杂内外地质营力作用下形成，又在各种因素作用下变化发展。
所有边坡都在不断变形过程中，通过变形逐渐发展至破坏。
其基本变形破坏形式重要有:
松弛张裂、滑动、崩塌、倾倒、蠕动和流动。
4.1.3影响边坡稳定性因案
影响边坡稳定性重要因素有:
（1）边坡材料力学特性参数：
涉及弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数。
（2）边坡几何尺寸参数：
涉及边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及坡面后方坡体几何形状，即坡体不持续面与开挖面坡度及方向之间几何关系，它将拟定坡体各个某些与否滑动或塌落。
（3）边坡外部荷载：
涉及地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等。
4.1.4边坡稳定性分析办法
分析边坡稳定问题，基本上可以分为两种办法：
极限平衡办法和数值分析办法。
4.1.4.1极限平衡办法
极限平衡办法基本思想是:
以摩尔一库仑抗剪强度理论为基本，将滑坡体划提成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上力平衡方程式，求解安全系数。
这种计算分析办法遵循下列基本假定：
（1）遵循库仑定律或由此引伸准则。
（2）将滑体作为均质刚性体考虑，以为滑体自身不变形，且可以传递应力。
因而只研究滑动面上受力大小，不研究滑体及滑床内部应力状态。
（3）将滑体边界条件大大简化。
如将复杂滑体型态简化为简朴几何型态；将滑面简化为圆弧面、平面或折面；普通将立体问题简化为平面问题，取沿滑动方向代表性剖面，以表征滑体基本型态；将均布力简化为集中力，有时还将力作用点简化为通过滑体重心。
极限平衡办法涉及如下几种办法：
（1）瑞典圆弧滑动法
（2）简化逼肖普法
（3）简布普通条分法
（4）摩根斯坦-普赖斯法
（5）不平衡推力传递法
以上各种办法都是假定土体是抱负塑性材料，把土条作为一种刚体，按照极限平衡原则进行力分析，最大不同之处在于对相邻上条之间内力作何种假定，也就是如何增长已知条件使超静定问题变成静定问题。
这些假定物理意义不同样，所能满足平衡条件也不相似，计算环节有繁有简，使用时必要注意她们合用场合。
极限平衡办法核心是对滑体休型和滑面形态进行分析、对的选用滑面计算参数以及对的引用滑体荷载条件等。
由于极限平衡办法完全不考虑土体自身应力-应变关系，不能真实地反映边坡失稳时应力场和位移场，因而而受到质疑。
4.1.4.2数值分析办法
数值数值分析办法考虑土体应力应变关系，克服了极限平衡办法完全不考虑土体自身应力-应变关系缺陷，为边坡稳定分析提供了较为对的和进一步概念。
边坡稳定性数值分析办法重要包括如下几种办法：
（1）有限元法
有限单元法是数值模仿办法在边坡稳定评价中应用最早办法，也是当前最广泛使用一种数值办法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。
当前用有限元法求解边坡稳定重要有两种办法。
a.有限元滑面搜索法:
将边坡体离散为有限单元格，按照施加荷载及边界条件进行有限元计算可得到每个结点应力张量。
然后假定一种滑动面，用有限元数据给出滑动面任一点向正应力和剪应力，依照摩尔一库仑准则可得该点抗滑力，由此即能求得滑动面上每个结点下滑力与抗滑力，再对滑动面上下滑力与抗滑力进行积分，就可以求得每一种滑动面安全系数。
b.有限元强度折减法:
一方面选用初始折减系数，将岩土体强度参数进行折减，将折减后参数作为输入，进行有限元计算，若程序收敛，则岩土体仍处在稳定状态，然后再增长折减系数，直到程序正好不收敛，此时折减系数即为稳定或安全系数。
（2）自适应有限元法
自20世纪70年代开始自适应理论被引入有限元计算，主导思想是减少前解决工作量和实现网格离散客观控制。
现已基本建立了普通弹性力学、流体动力学、渗流分析等领域平面自适应分析系统，能使计算较为迅速和精确。
（3）离散单元法
离散单元法突出功能是它在反映岩块之间接触面滑移、分离与倾翻等大位移同步，又能计算岩块内部变形与应力分布。
因而，任何一种岩体材料都可引入到模型中，例如弹性、粘弹性或断裂等均可考虑，故该法对块状构造、层状破裂或普通破裂构造岩体边坡比较适当。
并且，它运用显式时间差分法（动态差分法）求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力问题比较容易。
离散元法在模仿过程中考虑了边坡失稳破坏动态过程，容许岩土体存在滑动、平移、转动和岩体断裂及松散等复杂过程，具备宏观上不持续性和单个岩块休运动随机性，可以较真实、动态地模仿边坡在形成和开挖过程中应力、位移和状态变化，预测边坡稳定性，因而在岩质高边坡稳定性研究中得到广泛应用。
（4）拉格朗日元法
为了克服有限元等办法不能求解大变形问题缺陷，人们依照有限差分法原理，提出了FLAC数值分析办法。
该办法较有限元法能更好地考虑岩土体不持续和大变形特性，求解速度较快。
缺陷是计算边界、单元网格划分带有很大随意性。
（5）界面元法
界面元法是一种基于累积单元变形于界面界面应力元法模型，建立合用于分析不持续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题，以及可以完全模仿各类锚杆复杂空间布局和开挖扰动办法。
4.1.4.3有限元法用于边坡稳定性分析长处
有限元法考虑了介质变形特性，真实地反映了边坡受力状态。
它可以模仿持续介质，也可以模仿不持续介质；能考虑边坡沿软弱构造面破坏，也能分析边坡整体稳定破坏。
有限元法可以模仿边坡圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏。
同步它还能适应各种边界条件和不规则几何形状，具备很广泛合用性。
有限元法应用于边坡工程，有其独特优越性。
与普通解析办法相比，有限元法有如下长处：
（1）它考虑了岩体应力-应变关系，求出每一单元应力与变形，反映了岩体真实工作状态。
（2）与极限平衡法相比，不需要进行条间力简化，岩体自始至终处在平衡状态。
（3）不需要像极限平衡法同样事先假定边坡滑动面，边坡变形特性、塑性区形成都依照实际应力应变状态“自然”形成。
（4）若岩体初始应力己知，可以模仿有构造应力边坡受力状态。
（5）不但能像极限平衡法同样模仿边坡整体破坏，还能模仿边坡局部破坏，把边坡整体破坏和局部破坏纳入统一体系。
（6）可以模仿边坡开挖过程，描述和反映岩体中存在节理裂隙、断层等构造面。
鉴于有限元法具备如此多长处，本章借助通用有限元软件ANSYS来实现对边坡稳定性分析，用品体边坡工程实例详细简介应用ANSYS软件分析边坡稳定性问题。
4.2ANSYS边坡稳定性分析环节
ANSYS边坡稳定性分析普通分如下几种环节：
1、创立物理环境
2、建立模型，划分网格，对模型不同区域赋予特性
3、加边界条件和载荷
4、求解
5、后解决（查看计算成果）
4.2.1创立物理环境
在定义边坡稳定性分析问题物理环境时，进入ANSYS前解决器，建立这个边坡稳定性分析数学仿真模型。
按照如下几种环节来建立物理环境：
1、设立GUT菜单过滤
如果你但愿通过GUI途径来运营ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做事情就是选取菜单途径：
MainMenu>Preferences，执行上述命令后，弹出一种如图4-1所示对话框浮现后，选取Structural。
这样ANSYS会依照你所选取参数来对GUI图形界面进行过滤，选取Structural以便在进行边坡稳定性分析时过滤掉某些不必要菜单及相应图形界面。
2、定义分析标题（／TITLE）
在进行分析前，可以给你所要进行分析起一种可以代表所分析内容标题，例如“SlopestabilityAnalysis”，以便可以从标题上与其她相似物理几何模型区别。
用下列办法定义分析标题。
命令：
／TITLE
GUI：
UtilityMenu>File>ChangeTitle
3、阐明单元类型及其选项（KEYOPT选项）
与ANSYS其她分析同样，也要进行相应单元选取。
ANSYS软件提供了100种以上单元类型，可以用来模仿工程中各种构造和材料，各种不同单元组合在一起，成为详细物理问题抽象模型。
例如，不同材料属性边坡土体用PLANE82单元来模仿。
大多数单元类型均有核心选项（KEYOPTS），这些选项用以修正单元特性。
例如，PLANE82有如下KEYOPTS：
KEYOPT
（2）包括或抑制过大位移设立
KEYOPT（3）平面应力、轴对称、平面应变或考虑厚度平面应力设立
KEYOPT（9）顾客子程序初始应力设立
设立单元以及其核心选项方式如下：
命令：
ET
KEYOPT
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
图4-1GUI图形界面过滤
4定义单位
构造分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位，则所有输入数据都应当是这三个单位构成表达方式。
如原则国际单位制下，时间是秒（s），长度是米（m），质量是公斤（kg），则导出力单位是kg•m/s2（相称于牛顿N），材料弹性模量单位是kg/m•s2（相称于帕Pa）。
命令：
/UNITS
5、定义材料属性
大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS程序可以便地定义各种材料特性，如构造材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。
ANSYS程序可定义材料特性有如下三种：
（1）线性或非线性。
（2）各向同性、正交异性或非弹性。
（3）随温度变化或不随温度变化。
由于分析边坡模型采用抱负弹塑性模型（D-P模型），因而边坡稳定性分析中需要定义边坡中不同土体材料属性：
容重、弹性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。
命令：
MP
GUI：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels
或MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Other>ChangeMatProps>MaterialModels
进行边坡稳定性分析计算时，采用强度折减法来实现。
一方面选用初始折减系数F，然后对边坡土体材料强度系数进行折减，折减后凝聚力以及摩擦角分别见式4-1和式4-2。
（4-1）
（4-2）
◆
和
为边坡土体初始凝聚力和摩擦角。
◆对
和
进行折减，输入边坡模型计算，若收敛，则此时边坡是稳定；继续增大折减系数F，直到程序正好不收敛，此时折减系数即为稳定或安全系数。
4.2.2建立模型和划分网格
创立好物理环境，就可以建立模型。
在进行边坡稳定性分析时，需要建立模仿边坡土体PLANE82单元。
在建立好模型各个区域内指定特性（单元类型、选项、实常数和材料性质等）后来，就可以划分有限元网格了。
通过GUI为模型中各区赋予特性：
1、选取Main Menu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>PickedAreas
2、点击模型中要选定区域。
3、在对话框中为所选定区域阐明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号。
4、重复以上三个环节，直至解决完所有区域。
通过命令为模型中各区赋予特性：
ASEL（选取模型区域）
MAT（阐明材料号）
REAL（阐明实常数组号）
TYPE（指定单元类型号）
ESYS（阐明单元坐标系号）
4.2.3施加约束和荷载
在施加边界条件和荷载时，既可以给实体模型（核心点、线、面）也可以给有限元模型（节点和单元）施加边界条件和荷载。
在求解时，ANSYS程序会自动将加到实体模型上边界条件和载荷转递到有限元模型上。
边坡稳定性分析中，重要是给边坡两侧和底部施加自由度约束。
命令：
D
施加荷载涉及自重荷载以及边坡开挖荷载。
4.2.4求解
接着就可以进行求解，ANSYS程序依照既有选项设立，从数据库获取模型和载荷信息并进行计算求解，将成果数据写入到成果文献和数据库中。
命令：
SOLVE
GUI：
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS
4.2.5后解决
后解决目是以图和表形式描述计算成果。
对于边坡稳定性分析中，进入后解决器后，查看边坡变形图和节点位移、应力和应变。
随着强度折减系数增大，边坡水平位移增大，塑性应变急剧发展，塑性区发展形成一种贯通区域时，计算不收敛，以为边坡发生了破坏。
通过研究位移、应变和塑性区域，来综合判断边坡稳定性。
命令：
／POST1
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc
4.2.6补充阐明
边坡失稳破坏定义有诸各种，对于采用弹塑性计算模型边坡，需要综合考虑如下因素:
（1）把有限元计算收敛与否作为一种重要衡量指标，边坡处在稳定状态，计算收敛，边坡破坏时，边坡不收敛。
（2）边坡失稳同步还体现出位移急剧增长。
（3）边坡失稳总是随着着塑性变形明显增长和塑性区发展，塑性区发展状况反映了边坡与否处在稳定状态。
此外，采用弹塑性有限元法进行计算，它具备独特优势：
（1）弹塑性分析假定岩体为弹塑性材料，岩体在受力初期处在弹性状态，达到一定屈服准则后，处在塑性状态。
采用弹塑性模型更能反映岩体实际工作状态。
（2）岩体所承受荷载超过材料强度时，就会浮现明显滑移破坏面。
因而，弹塑性计算不需要假定破坏面形状和位置，破坏面依照剪应力强度理论自动形成。
当整个边坡破坏时，就会浮现明显塑性区。
（3）能综合考虑边坡局部失稳和整体失稳破坏。
4.3ANSYS边坡稳定性实例分析
4.3.1实例描述
图4-2边坡模型
边坡实例选用国内某矿，该边坡考虑弹性和塑性两种材料，边坡尺寸如图4-2所示。
分析目是对该边坡进行稳定性计算分析，以判断其稳定性和计算出安全系数，该边坡围岩材料属性见表4-1。
表4-1边坡模型围岩参数
类别
弹性模量/Gpa
泊松比
容重/
内聚力
/Mpa
摩擦角
（。
）
围岩2（弹塑性）
30
0.25
2500
0.9
42
围岩1（弹性）
31
0.24
2700
-
-
对于像边坡这样纵向很长实体，计算模型可以简化为平面应变问题。
假定边坡所承受外力不随Z轴变化，位移和应变都发生在自身平面内。
对于边坡变形和稳定性分析，这种平面假设是合理。
实测经验表白，边坡影响范畴在2倍坡高范畴，因而本文计算区域为边坡体横向延伸2倍坡高，纵向延伸3倍坡高。
两侧边界水平位移为零，下侧边界竖向位移为零。
弹性有限元计算模型如图4-2所示。
采用双层模型，模型上部为抱负弹塑性材料，下部为弹性材料，左右边界水平位移为零，下边界竖向位移为零。
◆双层模型考虑土体弹塑性变形，其塑性区发展，应力分布更符合实际状况。
◆考虑双层模型，塑性区下部单元可以产生一定垂直变形和水平变形，基本消除了由于边界效应在边坡下部浮现塑性区，更好地模仿了边坡变形和塑性区发展。
4.3.2GUI操作办法
4.3.2.1创立物理环境
1）在【开始】菜单中依次选用【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYSProductLauncher】，得到“10.0ANSYSProductLauncher”对话框。
2）选中【FileManagement】，在“WorkingDirectory”栏输入工作目录“D:
\ansys\example4-1”，在“JobName”栏输入文献名“Slope”。
3）单击“RUN”按钮，进入ANSYS10.0GUI操作界面。
4）过滤图形界面：
MainMenu>Preferences，弹出“PreferencesforGUIFiltering”对话框，选中“Structural”来对背面分析进行菜单及相应图形界面过滤。
5）定义工作标题：
UtilityMenu>File>ChangeTitle，在弹出对话框中输入“SlopestabilityAnalysis”，单击“OK”，如图4-3。
图4-3定义工作标题
6）定义单元类型：
a.定义PLANE82单元：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出一种单元类型对话框，单击“Add”按钮。
弹出如图4-4所示对话框。
在该对话框左面滚动栏中选取“Solid”，在右边滚动栏中选取“Quad8node82”，单击“Apply”，就定义了“PLANE82”单元。
图4-4定义PLANE82单元对话框
b.设定PLANE82单元选项：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出一种单元类型对话框，选中“Type2PLANE82”，单击“Options”按钮，弹出一种“PLANE82elementTypeoptions”对话框，如图4-5所示。
在“ElementbehaviorK3”栏背面下拉菜单中选用“Planestrain”，其他栏背面下拉菜单采用ANSYS默认设立就可以，单击“OK”按钮。
图4-5PLANE82单元库类型选项对话框
◆通过设立PLANE82单元选项“K3”为“Planestrain”来设定本实例分析采用平面应变模型进行分析。
由于边坡是纵向很长实体，故计算模型可以简化为平面应变问题。
◆8节点PLANE82单元每个节点有UX和UY两个自由度，比4节点PLANE42单元具备更高精准性，对不规则网格适应性更强。
7）定义材料属性
a.定义边坡围岩1材料属性：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，如图4-6所示。
图4-6定义材料本构模型对话框
在图4-6中右边栏中持续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，又弹出如图4-7所示“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，在该对话框中“EX”背面输入栏输入“3E10”，在“PRXY”背面输入栏输入“0.25”，单击“OK”。
再在选中“Density”并双击，弹出如图4-8所示“DensityforMaterialNumber1”对话框，在“DENS”背面栏中输入边坡土体材料密度“2500”，单击“OK”按钮。
再次在图4-6中右边栏中持续双击“Structural>Nonlinear>Inelastic>Non-metalplasticity>drucker-prager”后，又弹出一种如图4-9所示对话框。
在“Cohesion”栏添入边坡围岩材料1内聚力“0.9E6”，在“FricAngle”栏添入边坡内摩擦角“42”，单击“OK”按钮。
图4-7线弹性材料模型对话框图4-8材料密度输入对话框
图4-9定义边坡材料1DP模型对话框
b.定义边坡围岩2材料属性：
在图4-6对话框中，单击“Material>NewModel…”，弹出一种“DefineMaterialID”对话框，在“ID”栏背面输入材料编号“2”，单击“OK”按钮。
弹出一种定义材料模型对话框对话框，选中“MaterialModelNumber2”，和定义边坡围岩1材料同样，在右边栏中持续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，又弹出一种“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber2”对话框，在该对话框中“EX”背面输入栏输入“3.2E10”，在“PRXY”背面输入栏输入“0.24”，单击“OK”。
再选中“Density”并双击，弹出一种“DensityforMaterialNumber2”对话框，在“DENS”背面栏中输入隧道围岩材料密度“2700”，再单击“OK”按钮，弹出一种定义材料模型对话框。
c.复制边坡围岩1材料性质：
在图4-6对话框中，用鼠标点击“Edit>copy….”，弹出一种“CopyMaterialModel”对话框，如图4-10所示。
在“fromMaterialnumber”栏背面下拉菜单中选用“1”，在“TOMaterialnumber”栏背面输入“3”，单击“Apply”按钮。
又弹出如土4-10所示对话框，然后依次在“TOMaterialnumber”栏背面输入“4”、“5”、“6”、“7”、“8”“9”、“10”，“11”、“12”、“13”，每输入一种数，就单击“Apply”按钮一次。
图4-10复制本构模型对话框
最后得到10个复制围岩1边坡材料本构模型，如图4-11所示。
图4-11定义强度折减后材料模型对话框
图4-12定义强度折减系数F=1.2时围岩材料对话框
d.定义10个强度折
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