Midas_GTS软件在边坡三维稳定分析中的应用_帅红岩
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(2)通过对边坡的有限元计算 , 该处边坡主要 的薄弱部位是含角砾粘土层 , 可能形成潜在的滑动 面 , 且可能从剪应力集中部位剪出 , 发生浅层滑动破 坏。
(3)通过用 M idas/G T S 模拟三维边坡 , 得到了 边坡变形 、最大剪应变的分布情况 , 从模拟结果可以 看出 , M idas/G T S 能够较好地模拟三维边坡的真实 情况 , 稳定性分析结果与实际相符 , 可以作为边坡稳 定性分析的一种有力可靠的工具和手段 。
帅红岩 、韩文喜 、赵晋乾 :M idas/ G TS 软件在边坡三维稳定分析中的应用
1 0 5
坏 , 同时可以得到坡体的破坏滑动面 。
3 边坡三维数值模型分析实例
3 .1 工程概况 该边坡最大高程约 540 m , 相对高差约 110 m ,
平均坡向 195°, 边坡下部较陡 , 中上部较缓 , 其下部 平均坡度约 40°, 中上部平均坡度约 30°, 局部形成 天然马道 , 植被发育 。 边坡出露地层主要为第四系 坡积粘土 、含碎石粘土 、含粘土块石 、含角砾粘土 、含 粘土碎石及志留系页岩组成 , 揭露覆盖层厚度 2 .20 ~ 38 .00 m , 页岩产状为 320°~ 344°∠56°~ 61°, 岩 层内倾 。 边坡东西两侧各发育一条冲沟 , 西侧冲沟 平时无流水 , 为降雨时边坡的主要排水通道 , 切割深 度约 3 m , 宽约 4 m ;东侧冲沟常年见流水 , 流量较 小 , 冲沟切割深度约 5 m , 宽约 5 m 。 边坡地下水埋 深较深 , 基本位于覆盖层中部 。 3 .2 物理力学参数的选取
4 结语
(1)工况 2 与工况 1 相比 , 由于地震水平加速 度的增大 , 使边坡的岩土体变得松散 , 粘聚力减小 , 边坡抗滑力降低 。暴雨的过程 , 一方面使岩土体孔 隙水压力骤然增大和潜在滑面的摩擦系数降低 , 岩 土体的有效应力降低 , 使抗滑力减少 ;另一方面由于 在坡体内部形成渗流场 , 加大边坡下滑力 。水平方 向位移 、总位移 、最大剪应变均不同程度的增大 , 稳 定性系数明显降低 , 工况 1 下稳定性 系数为 1.63 , 工况 2 下稳定性系数为 1.15 。
为:
C1 =C/ F
(1)
φ1 =arct an
tan F
(2)
然后将 C 作 为新的 计算参 数输入 , 再进 行试 算 , 直到计算没有收敛为止 , 将没有收敛的阶段视为
破坏 , 并将该阶段的最大的强度折减率作为边坡的
最小安全系数 , 此时坡体达到极限状态 , 发生剪切破
第 20 卷 第 3 期
10 6
地质灾害与环境保护
2009 年
图 3 天然工况下 X-Z 剖断面最大剪应变云图 F ig .3 T he bigg est shea ring strain cloud cha rt o f X-Z
sectio n under na tur al
图 4 天然 +暴雨 +地 震工况 下 X-Z 剖 断面水平 方向位 移云图
岩土体物理力学参数选取是影响坡体稳定性评 价的重要因素 。 经过现场工程地质调查和测绘 、钻 探 、原位测试以及室内试验 , 结合场地边坡工程地质 条件及地方经验 , 综合考虑选取了岩土体的物理力 学参数 。
本次模型计算主要采用的物理力学参数为岩土 体的容重(γ)、弹性模量(E)、泊松比(μ)、粘聚力(C) 和内摩擦角(φ)(表 1)。
收稿日期 : 2009-02-16 改回日期 : 2009-06-24
速的隧道建模助手 、大模型的快速显示和最优的图 形处理功能 、适合于 Window s 操作环境的最新的用 户界面系统 、使用最新图形技术表现分析结果 、计算 输出功能 。 Midas/ GT S 中提供的分析功能有静力 分析 、 施工阶段分析 、渗流分析 、渗 流-应力耦合分 析 、固结分析 、动力分析[ 2] 。
Z section under natural, rainsto rm and ear thquake
出 , 受表层土体固结的影响 , 坡体粘土层位移较大 , 其次为含角砾粘土层 ;从图 6 最大剪应变云图可以 看出 , 在含角砾粘土层剪应变最大 , 较工况 1 的计算 结果大 , 可能形成潜在的滑动面 , 并从剪应力较集中 点处剪出 , 应该引起着 重考虑 ;其次为含粘土 碎石
F ig .4 Ho rizontal direction displacement clo ud cha rt of X-Z sectio n unde r natural , rainsto rm and earthq uak e
图 5 天然 +暴雨 +地震工况下 X-Z 剖断面总位移云图 F ig .5 Resultant directio n displacement cloud char t of X-
图 2 天然工况下 X-Z 剖断面总位移云图 Fig .2 Resultant direction displacement clo ud cha rt of X-
Z sectio n under natural
3 .4 .2 工况 2 计算结果 从图 4 、5 水 平方向位移及总位移 云图可以看
表 1 计算采用的物理力学参数 T able 1 M aຫໍສະໝຸດ erial pro per ties
岩土名称
重度 γ/ kN · m -3
天然 饱和
弹性
抗剪强度
模量 泊松比 C/ kPa
φ/°
E/ M Pa
天然 饱和 天然 饱和
硬塑粘土 19 .60 20 .00 12 0 .396 80 38 15 13 含角砾粘土 20 .50 21 .50 28 0 .384 48 43 19 17 含碎石粘土 21 .50 22 .50 40 0 .382 50 37 20 18 含粘土碎石 22 .50 23 .50 60 0 .381 60 55 40 38 含粘土块石 23 .50 24 .50 90 0 .377 65 60 43 41
即经过折减后的抗剪强度指标31?midasgts软件概述midasgts是针对岩土工程而开发的有限元软件该软件具有简洁的界面前后处?功能强大的岩土材?模型库能满足大部分岩土体的破坏模式因此用此软件对边坡工程的建立三维数值模型比较接近真实情况且计算结果相对安全
第20卷 第 3 期 20 09 年 9月
地质灾害与环境保护
Journal of Geo log ical Hazards and Env ir onme nt P reserv ation
文章编号 : 1006 -4362(2009)03 -0104-04
Vo l .20 , No .3 Sept em ber 2009
M idas/G T S 软件在边坡三维稳定分析中的应用
(4)有限元强度折减法分析边坡稳定问题 , 破 坏面的形状或位置不需要事先假定 , 计算模型不仅 满足力的平衡方程 , 而且满足土体的应力应变关系 , 能够考虑岩土体的非线性本构关系 , 可适用于任意 复杂的边界条件 , 且能够模拟边坡岩土体与支挡结 构的共同作用 。
3 .4 边坡计算结果的分析 该边坡模型的稳定性计算考虑了暴雨 、地震等
条件下 , 因 此对该模型采 用两种工况分 析 :工况 1 (天然)和工况 2(天然 +暴雨 +地震)。 模型计算结 果由水平方向位移云图 、总位移云图以及最大剪应 变云图表示 。但是由于该边坡岩层沿走向方向相对 均匀 , 变化规律基本一致 , 同时为更清楚地显示边坡 的位移变形规律 , 本文采用 X-Z 剖断面相关云图来 进行分析边坡稳定性 。 3 .4 .1 工况 1 计算结果
图 6 天然 +暴雨 +地震工 况下 X-Z 剖断面 最大剪 应变 云图
Fig .6 T he big ge st shearing st rain clo ud char t of X-Z section under natural , r ainsto rm and ea rthquake
层 , 但其剪应变顺坡向逐渐减小 , 不可能形成贯通的 滑动面 , 该层对边坡整体稳定构不成威胁 。但从图 4 ~ 6 整体分析 , 可以推断该边坡在地震 、暴雨条件 下仍基本处于稳定状态 。
关键词 : M idas/ G TS ;边坡 ;三维数值模拟 ;有限元强度折减法 ;安全系数 中图分类号 : P 642 文献标识码 : A
边坡稳定性分析是边坡设计的前提和依据 , 它 决定着边坡是否失稳以及边坡失稳时存在多大下滑 推力 , 以便为支护结构设计参数提供科学依据 。 然 而目前还不能完全真实地反映 和分析边坡的 稳定 性 , 因为解决这一问题必须先要查清坡体的地质状 况及其强度参 数 , 同 时又 要有 科学合 理的 分析 方 法[ 1] 。 以往大部分的边坡稳定分析都是采用二维分 析模型 , 但是只考虑了一个方向的破坏滑动的假定 不是很准确 。随着计算机硬件和软件技术的飞速发 展 , 三维数值模拟可以考虑在二维分析中忽略掉的 简化因素 , 分析的模型结果更真实可靠 , 目前进行三 维数值模拟已经成为边坡稳定性分析的发展趋势 。
从图 1 、2 水平方 向位移及总位移云图可以看 出 , 受表层土体固结的影响 , 坡体粘土层位移较大 , 其次为含角砾粘土层 ;从图 3 最大剪应变云图可以 看出 , 在含角砾粘土层剪应变最大 ;其次为含粘土碎 石层 , 但其剪应变顺坡向逐渐减小 , 不可能形成贯通 的滑动面 , 该层对坡体稳定构不成威胁 。 但从图 1 ~ 3 整体分析 , 可以推断该边坡在天然条件下处于 稳定状态 。
1 Midas/G TS 软件概述
Midas/ GT S 是针对岩土工程而开发的有限元 软件 , 该软件具有简洁的界面 、前后处理功能强大的 岩土材料模型库 , 能满足大部分岩土体的破坏模式 , 因此用此软件对边坡工程的建立三维数值模型 , 比 较接近真实情况 , 且计算结果相对安全 。
G T S 模块是包含施工阶段的应力分析 和渗透 分析等岩土和隧道所需的几乎所有分析功能的通用 分析软件 , 是经过验证的各种分析功能 、快速准确的 有限元求解器 、CAD 水准的三维几何建模功能 、自 动划分网格 、映射网格等高级网格划分功能 、方便快
帅红岩1 , 韩文喜1 , 赵晋乾1, 2
(1.成都理工大学环境与土木工程学院 , 成都 610059;2.中铁第四勘察设计院 , 武汉 430063)
摘要 : M idas/ G TS 岩土数值模拟软件具有简洁 的界面 、前 后处理功 能强大的 岩土材料 模型库 , 能 满 足大部分岩土体的破坏模式 。 建立工程边坡的三维数值模型 , 并对 其计算分析 , 结果 接近真实情况 , 且 计算结果相对安全 。 本文采用该软件与有限元强度折减法相结合 模式 , 对三维边坡 实例的各种工况 进 行数值模拟 , 得到边坡的最大剪应变 、最大剪应力出现 的部位和数值大小以及边坡整体安全系数 , 由此 确定边坡的薄弱带和潜在滑面 , 能客观反映边坡稳定性。
图 1 天然工况下 X-Z 剖断面水平方向位移云图 Fig .1 H orizo ntal directio n displacement cloud char t of
X-Z sectio n under natural
3 .3 模型的建立 边坡岩土体的本构模型采用修正 莫尔-库仑模
型 , 是在莫尔-库仑模型基础上改善的 , 用于边坡的 材料本构模型 。 模型采用实体单元中的高阶单元划 分网格 , 在上部加密网格尺寸 , 有利于提高有限元计 算结果的精确度 , 坡体建立三维模型共划分 42 461 个单元 。 模型的力学边界条件采用前后(y 方向)、 左右(x 方向)、底面(x 、y 、z 方向)约束 。 工况 1 和 工况 2 均采用静力分析 , 地震作用下加速度为 0.15 g。
2 有限元强度折减法原理
Mi das/G T S 的边坡稳定分析采用了基于有限 单元法的强度折减法[ 3] 。
极限平衡法和塑性极限分析法属于边坡稳定分
析中的传统方法 , 而采用基于强度折减法原理有限
单元法处理边坡稳定性是非常先进的 。有限元强度
折减法的基本 原理是将边坡岩土体物 理力学参数
(粘聚力 C 和内摩擦角值 )均除以折减率 F , 得到 一组新的 C1 , φ1 , 即经过折减 后的抗剪强度指标[ 4]
(3)通过用 M idas/G T S 模拟三维边坡 , 得到了 边坡变形 、最大剪应变的分布情况 , 从模拟结果可以 看出 , M idas/G T S 能够较好地模拟三维边坡的真实 情况 , 稳定性分析结果与实际相符 , 可以作为边坡稳 定性分析的一种有力可靠的工具和手段 。
帅红岩 、韩文喜 、赵晋乾 :M idas/ G TS 软件在边坡三维稳定分析中的应用
1 0 5
坏 , 同时可以得到坡体的破坏滑动面 。
3 边坡三维数值模型分析实例
3 .1 工程概况 该边坡最大高程约 540 m , 相对高差约 110 m ,
平均坡向 195°, 边坡下部较陡 , 中上部较缓 , 其下部 平均坡度约 40°, 中上部平均坡度约 30°, 局部形成 天然马道 , 植被发育 。 边坡出露地层主要为第四系 坡积粘土 、含碎石粘土 、含粘土块石 、含角砾粘土 、含 粘土碎石及志留系页岩组成 , 揭露覆盖层厚度 2 .20 ~ 38 .00 m , 页岩产状为 320°~ 344°∠56°~ 61°, 岩 层内倾 。 边坡东西两侧各发育一条冲沟 , 西侧冲沟 平时无流水 , 为降雨时边坡的主要排水通道 , 切割深 度约 3 m , 宽约 4 m ;东侧冲沟常年见流水 , 流量较 小 , 冲沟切割深度约 5 m , 宽约 5 m 。 边坡地下水埋 深较深 , 基本位于覆盖层中部 。 3 .2 物理力学参数的选取
4 结语
(1)工况 2 与工况 1 相比 , 由于地震水平加速 度的增大 , 使边坡的岩土体变得松散 , 粘聚力减小 , 边坡抗滑力降低 。暴雨的过程 , 一方面使岩土体孔 隙水压力骤然增大和潜在滑面的摩擦系数降低 , 岩 土体的有效应力降低 , 使抗滑力减少 ;另一方面由于 在坡体内部形成渗流场 , 加大边坡下滑力 。水平方 向位移 、总位移 、最大剪应变均不同程度的增大 , 稳 定性系数明显降低 , 工况 1 下稳定性 系数为 1.63 , 工况 2 下稳定性系数为 1.15 。
为:
C1 =C/ F
(1)
φ1 =arct an
tan F
(2)
然后将 C 作 为新的 计算参 数输入 , 再进 行试 算 , 直到计算没有收敛为止 , 将没有收敛的阶段视为
破坏 , 并将该阶段的最大的强度折减率作为边坡的
最小安全系数 , 此时坡体达到极限状态 , 发生剪切破
第 20 卷 第 3 期
10 6
地质灾害与环境保护
2009 年
图 3 天然工况下 X-Z 剖断面最大剪应变云图 F ig .3 T he bigg est shea ring strain cloud cha rt o f X-Z
sectio n under na tur al
图 4 天然 +暴雨 +地 震工况 下 X-Z 剖 断面水平 方向位 移云图
岩土体物理力学参数选取是影响坡体稳定性评 价的重要因素 。 经过现场工程地质调查和测绘 、钻 探 、原位测试以及室内试验 , 结合场地边坡工程地质 条件及地方经验 , 综合考虑选取了岩土体的物理力 学参数 。
本次模型计算主要采用的物理力学参数为岩土 体的容重(γ)、弹性模量(E)、泊松比(μ)、粘聚力(C) 和内摩擦角(φ)(表 1)。
收稿日期 : 2009-02-16 改回日期 : 2009-06-24
速的隧道建模助手 、大模型的快速显示和最优的图 形处理功能 、适合于 Window s 操作环境的最新的用 户界面系统 、使用最新图形技术表现分析结果 、计算 输出功能 。 Midas/ GT S 中提供的分析功能有静力 分析 、 施工阶段分析 、渗流分析 、渗 流-应力耦合分 析 、固结分析 、动力分析[ 2] 。
Z section under natural, rainsto rm and ear thquake
出 , 受表层土体固结的影响 , 坡体粘土层位移较大 , 其次为含角砾粘土层 ;从图 6 最大剪应变云图可以 看出 , 在含角砾粘土层剪应变最大 , 较工况 1 的计算 结果大 , 可能形成潜在的滑动面 , 并从剪应力较集中 点处剪出 , 应该引起着 重考虑 ;其次为含粘土 碎石
F ig .4 Ho rizontal direction displacement clo ud cha rt of X-Z sectio n unde r natural , rainsto rm and earthq uak e
图 5 天然 +暴雨 +地震工况下 X-Z 剖断面总位移云图 F ig .5 Resultant directio n displacement cloud char t of X-
图 2 天然工况下 X-Z 剖断面总位移云图 Fig .2 Resultant direction displacement clo ud cha rt of X-
Z sectio n under natural
3 .4 .2 工况 2 计算结果 从图 4 、5 水 平方向位移及总位移 云图可以看
表 1 计算采用的物理力学参数 T able 1 M aຫໍສະໝຸດ erial pro per ties
岩土名称
重度 γ/ kN · m -3
天然 饱和
弹性
抗剪强度
模量 泊松比 C/ kPa
φ/°
E/ M Pa
天然 饱和 天然 饱和
硬塑粘土 19 .60 20 .00 12 0 .396 80 38 15 13 含角砾粘土 20 .50 21 .50 28 0 .384 48 43 19 17 含碎石粘土 21 .50 22 .50 40 0 .382 50 37 20 18 含粘土碎石 22 .50 23 .50 60 0 .381 60 55 40 38 含粘土块石 23 .50 24 .50 90 0 .377 65 60 43 41
即经过折减后的抗剪强度指标31?midasgts软件概述midasgts是针对岩土工程而开发的有限元软件该软件具有简洁的界面前后处?功能强大的岩土材?模型库能满足大部分岩土体的破坏模式因此用此软件对边坡工程的建立三维数值模型比较接近真实情况且计算结果相对安全
第20卷 第 3 期 20 09 年 9月
地质灾害与环境保护
Journal of Geo log ical Hazards and Env ir onme nt P reserv ation
文章编号 : 1006 -4362(2009)03 -0104-04
Vo l .20 , No .3 Sept em ber 2009
M idas/G T S 软件在边坡三维稳定分析中的应用
(4)有限元强度折减法分析边坡稳定问题 , 破 坏面的形状或位置不需要事先假定 , 计算模型不仅 满足力的平衡方程 , 而且满足土体的应力应变关系 , 能够考虑岩土体的非线性本构关系 , 可适用于任意 复杂的边界条件 , 且能够模拟边坡岩土体与支挡结 构的共同作用 。
3 .4 边坡计算结果的分析 该边坡模型的稳定性计算考虑了暴雨 、地震等
条件下 , 因 此对该模型采 用两种工况分 析 :工况 1 (天然)和工况 2(天然 +暴雨 +地震)。 模型计算结 果由水平方向位移云图 、总位移云图以及最大剪应 变云图表示 。但是由于该边坡岩层沿走向方向相对 均匀 , 变化规律基本一致 , 同时为更清楚地显示边坡 的位移变形规律 , 本文采用 X-Z 剖断面相关云图来 进行分析边坡稳定性 。 3 .4 .1 工况 1 计算结果
图 6 天然 +暴雨 +地震工 况下 X-Z 剖断面 最大剪 应变 云图
Fig .6 T he big ge st shearing st rain clo ud char t of X-Z section under natural , r ainsto rm and ea rthquake
层 , 但其剪应变顺坡向逐渐减小 , 不可能形成贯通的 滑动面 , 该层对边坡整体稳定构不成威胁 。但从图 4 ~ 6 整体分析 , 可以推断该边坡在地震 、暴雨条件 下仍基本处于稳定状态 。
关键词 : M idas/ G TS ;边坡 ;三维数值模拟 ;有限元强度折减法 ;安全系数 中图分类号 : P 642 文献标识码 : A
边坡稳定性分析是边坡设计的前提和依据 , 它 决定着边坡是否失稳以及边坡失稳时存在多大下滑 推力 , 以便为支护结构设计参数提供科学依据 。 然 而目前还不能完全真实地反映 和分析边坡的 稳定 性 , 因为解决这一问题必须先要查清坡体的地质状 况及其强度参 数 , 同 时又 要有 科学合 理的 分析 方 法[ 1] 。 以往大部分的边坡稳定分析都是采用二维分 析模型 , 但是只考虑了一个方向的破坏滑动的假定 不是很准确 。随着计算机硬件和软件技术的飞速发 展 , 三维数值模拟可以考虑在二维分析中忽略掉的 简化因素 , 分析的模型结果更真实可靠 , 目前进行三 维数值模拟已经成为边坡稳定性分析的发展趋势 。
从图 1 、2 水平方 向位移及总位移云图可以看 出 , 受表层土体固结的影响 , 坡体粘土层位移较大 , 其次为含角砾粘土层 ;从图 3 最大剪应变云图可以 看出 , 在含角砾粘土层剪应变最大 ;其次为含粘土碎 石层 , 但其剪应变顺坡向逐渐减小 , 不可能形成贯通 的滑动面 , 该层对坡体稳定构不成威胁 。 但从图 1 ~ 3 整体分析 , 可以推断该边坡在天然条件下处于 稳定状态 。
1 Midas/G TS 软件概述
Midas/ GT S 是针对岩土工程而开发的有限元 软件 , 该软件具有简洁的界面 、前后处理功能强大的 岩土材料模型库 , 能满足大部分岩土体的破坏模式 , 因此用此软件对边坡工程的建立三维数值模型 , 比 较接近真实情况 , 且计算结果相对安全 。
G T S 模块是包含施工阶段的应力分析 和渗透 分析等岩土和隧道所需的几乎所有分析功能的通用 分析软件 , 是经过验证的各种分析功能 、快速准确的 有限元求解器 、CAD 水准的三维几何建模功能 、自 动划分网格 、映射网格等高级网格划分功能 、方便快
帅红岩1 , 韩文喜1 , 赵晋乾1, 2
(1.成都理工大学环境与土木工程学院 , 成都 610059;2.中铁第四勘察设计院 , 武汉 430063)
摘要 : M idas/ G TS 岩土数值模拟软件具有简洁 的界面 、前 后处理功 能强大的 岩土材料 模型库 , 能 满 足大部分岩土体的破坏模式 。 建立工程边坡的三维数值模型 , 并对 其计算分析 , 结果 接近真实情况 , 且 计算结果相对安全 。 本文采用该软件与有限元强度折减法相结合 模式 , 对三维边坡 实例的各种工况 进 行数值模拟 , 得到边坡的最大剪应变 、最大剪应力出现 的部位和数值大小以及边坡整体安全系数 , 由此 确定边坡的薄弱带和潜在滑面 , 能客观反映边坡稳定性。
图 1 天然工况下 X-Z 剖断面水平方向位移云图 Fig .1 H orizo ntal directio n displacement cloud char t of
X-Z sectio n under natural
3 .3 模型的建立 边坡岩土体的本构模型采用修正 莫尔-库仑模
型 , 是在莫尔-库仑模型基础上改善的 , 用于边坡的 材料本构模型 。 模型采用实体单元中的高阶单元划 分网格 , 在上部加密网格尺寸 , 有利于提高有限元计 算结果的精确度 , 坡体建立三维模型共划分 42 461 个单元 。 模型的力学边界条件采用前后(y 方向)、 左右(x 方向)、底面(x 、y 、z 方向)约束 。 工况 1 和 工况 2 均采用静力分析 , 地震作用下加速度为 0.15 g。
2 有限元强度折减法原理
Mi das/G T S 的边坡稳定分析采用了基于有限 单元法的强度折减法[ 3] 。
极限平衡法和塑性极限分析法属于边坡稳定分
析中的传统方法 , 而采用基于强度折减法原理有限
单元法处理边坡稳定性是非常先进的 。有限元强度
折减法的基本 原理是将边坡岩土体物 理力学参数
(粘聚力 C 和内摩擦角值 )均除以折减率 F , 得到 一组新的 C1 , φ1 , 即经过折减 后的抗剪强度指标[ 4]