ANSYS课程作业-边坡稳定性分析
边坡稳定性分析
目录摘要 (IV)Abstract (V)第一章概况 (1)1.1贵阳龙洞堡见龙路住宅小区工程概况 (1)1.2 边坡概况 (1)1.2.1 边坡地段地物环境 (1)1.2.2 边坡形态及岩土构成 (1)1.2.3 边坡安全等级及勘察等级 (2)第二章水文地质条件及工程地质条件 (3)2.1工程地质条件 (3)2.1.1 地形地貌 (3)2.1.2 地质构造 (3)2.1.3 地震 (3)2.1.4 地层岩性 (3)2.1.5 不良地质现象 (5)2.2 水文地质条件 (6)2.2.1 气象条件 (6)2.2.2 水文地质条件 (6)2.2.3 降水及空气情况 (6)第三章稳定性分析 (7)3.1分析依据 (7)3.2定性分析与评价 (7)3.3稳定性评价 (8)3.4有限单元法及ANSYS的实现 .................... 错误！未定义书签。
3.4.1 有限元法 .................................................................................................... 错误！未定义书签。
3.4.2 ANSYS边坡分析........................................................................................ 错误！未定义书签。
3.4.3 ANSYS分析情况........................................................................................ 错误！未定义书签。
3.5 极限平衡法 (10)3.5.1 计算方法介绍 (10)3.5.2 相应计算公式 (10)3.5.3 理正计算图示 (11)3.5.4 理正计算分析 (13)3.5.5 计算结果分析 (19)第四章边坡支护设计 (20)4.1 支护方式综述 (20)4.1.1 锚杆 (20)4.1.2 格构锚固 (21)4.2工程地质条件及评价 (22)4.3 设计基本要求 (22)4.4设计依据 (22)4.5 计算方法及过程 (23)4.6 锚杆支护验算 (27)4.6.1 计算结果 (27)4.6.2 结果分析 (29)4.7支护结构 (29)4.7.1 支护概况 (29)4.7.2 支护方案图 (29)4.8 防水工程 (31)4.8.1 一般规定 (31)4.8.2 排水设计 (32)4.8.3 排水施工要求 (33)4.9其他说明 (34)第五章施工组织方案 (35)5.1施工准备 (35)5.2施工方案 (35)5.2.1 施工程序 (35)5.2.2 施工起点流向 (35)5.3施工方法及施工工艺 (36)5.3.1 坡面喷浆 (36)5.3.2 锚杆施工方法 (37)5.3.3 锚杆施工步骤 (37)5.4安全生产和文明施工措施 (38)5.4.1 安全生产保证措施 (38)5.4.2 施工现场的安全措施 (39)5.4.3 应急措施 (41)第六章结论及建议 (42)6.1结论 (42)6.2存在问题 (43)6.3建议 (43)参考文献 (45)致谢 (54)贵阳市龙洞堡见龙路东侧边坡支护设计摘要贵阳市龙洞堡见龙路东侧边坡开挖坡均在16m以上，为典型的反倾向层状结构岩质与土质混合高边坡，为了确保开挖后边坡的稳定,必须保持边坡岩体（土体）有足够的稳定性,通过对边坡进行稳定性分析及安全系数的计算，设计合理的支护措施并计算支护的合理性，以达到边坡支护设计的最终目的。
第4章ANSYS边坡工程应用实例分析
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。
内容 提要 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 边坡稳定性分析步骤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有侧向临空面的地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体的总称。
坡面与坡顶面下部至坡脚高程的岩体称为坡体。
倾斜的地面称为斜坡，铁路、公路建筑施工中，所形成的路堤斜坡称为路堤边坡；开挖路堑所形成的斜坡称为路堑边坡；水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成的斜坡也称为边坡；这些对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。
首先，按其物质组成，即按组成边坡的地层和岩性，可以分为岩质边坡和土质边坡(后者包括黄土边坡、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征的基本因素之一，也是研究区域性边坡稳定问题的主要依据.其次，再按边坡的结构状况进行分类。
因为在岩性相同的条件下，坡体结构是决定边坡稳定状况的主要因素，它直接关系到边坡稳定性的评价和处理方法。
最后，如果边坡已经变形，再按其主要变形形式进行划分。
即边坡类属的称谓顺序是:岩性—结构—变形。
边坡工程对国民经济建设有重要的影响：在铁路、公路与水利建设中，边坡修建是不可避免的，边坡的稳定性严重影响到铁路、公路与水利工程的施工安全、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。
因此，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，就处于各种应力作用(自重应力、构造应力、热应力等)之下。
在边坡的发展变化过程中，由于边坡形态和结构的不断改变以及自然和人为营力的作用，边坡的应力状态也随之调整改变。
基于ANSYS平台的FLAC3D顺层岩质高边坡开挖稳定性分析
基于 ANSYS平台的 FLAC3D顺层岩质高边坡开挖稳定性分析摘要：文章运用FLAC3D有限差分软件中Mohr-Coulomb 本构模型对某场地顺层岩质高边坡分步开挖进行模拟，揭示坡体的整体变形和应力应变特征发展过程，对边坡开挖稳定性做出评价。
结果表明坡脚和开挖临空面应力相对集中，自上而下开挖至第七级台阶处位移突增，边坡处于不稳定状态。
关键词：顺层岩质高边坡；ANSYS；FLAC3D；稳定性分析1引言顺层岩质高边坡作为边坡的一种特殊形式，是很容易发生变形破坏的一种边坡类型，使得顺层岩质高边坡的失稳问题成为工程地质学和岩石力学领域内亟待解决的问题之一［1】。
FLAC3D数值模拟方法全面满足了静力许可、应变相容和应力、应变之间的本构关系。
同时，采用数值分析方法可以不受边坡不规则的几何形状和材料的不均匀性的限制，这是比较理想的分析边坡应力变形和稳定性的手段。
在运用FLAC3D对边坡进行稳定性数值模拟分析时，通常要对实体对象经过适当简化建立相应的三维计算模型。
然而FLAC3D在前期处理建模以及网格划分方面却一直很不方便,特别是遇到地层比较复杂和边界不规则时，在创建模型时就十分困难，不易控制网格点数据，不能完全创建真实的地质模型［2】。
ANSYS可以自上而下直接建立实体模型，还可以通过自下而上依次生成点、线、面和体，从而创建真实的实体模型［4】。
对于创建好的实体模型的网格划分，ANSYS提供了功能强大的控制工具，比如单元大小和形状的控制、网格的划分类型以及网格的清除和细化［5］。
因此，在需要建立比较复杂的地质模型时，可以采用建模与网格划分功能强大的ANSYS软件建立相应的数值模型，再导入FLAC3D中进行分析，这样就可以明显降低了前期建模的难度［6］。
2工程地质概况场地整体地形情况为西高东低，四周高中间低，场平过后场地将形成约10个高边坡，最大边坡高度超过90m。
特别是南侧高边坡，为顺向边坡，边坡软弱结构面较多，层面存在泥化现象,岩体较破碎，边坡开挖后容易引起岩体滑动,造成边坡失稳。
用ANSYS分析边坡稳定性
用ANSYS分析边坡稳定性提纲：第一章：绪论1.1 研究背景及意义1.2 国内外研究现状及进展1.3 研究内容和目的1.4 论文结构安排第二章：边坡稳定性分析方法及原理2.1 边坡稳定性分析方法概述2.2 常用边坡稳定分析软件简介2.3 复杂地形边坡分析方法2.4 常用岩土参数测定方法第三章：基岩边坡稳定性分析3.1 基岩边坡的稳定性分析3.2 基岩边坡的模型建立3.3 基岩边坡的计算第四章：典型边坡案例分析4.1 案例选取理由及数据来源4.2 案例基本情况介绍4.3 数值计算结果分析4.4 结果分析和比较第五章：结论与展望5.1 研究结论5.2 研究不足和未来研究方向5.3 工程实践中的应用5.4 论文总结与展望以上是一篇用ANSYS分析边坡稳定性的论文提纲，涵盖了绪论、边坡稳定性分析方法及原理、基岩边坡稳定性分析、典型边坡案例分析和结论与展望五个章节。
其中，绪论阐述了研究的背景、意义以及研究目的和内容，为后续的分析工作打下基础。
在边坡稳定性分析方法及原理章节中，详细介绍常用的边坡稳定分析方法和软件，以及复杂地形边坡分析方法和岩土参数测定方法。
第三章以基岩边坡为例，介绍了基岩边坡的稳定性分析及其模型建立和计算。
第四章选取典型边坡案例进行分析，对比结果，进一步验证本文方法的可行性。
最后，结论与展望章节总结了本文研究的结论和展望未来的研究方向，为工程实践提供参考。
第一章：绪论1.1 研究背景及意义在建设工程和地质灾害监测过程中，边坡是一种常见的岩土工程地质体。
针对边坡的稳定性分析，可以提前发现潜在的危险，掌握岩土地质构造，确定合适的工程措施和预防措施，有效保障人民生命和财产的安全，减少工程投入，推进工程建设。
因此，研究边坡的稳定性，对岩土工程领域的实践具有十分重要的实际意义。
1.2 国内外研究现状及进展近年来，岩土工程领域的研究在发展，已经出现了多种边坡稳定性分析方法。
数据智能算法在数据分析和识别矿井边坡稳定性方面得到了广泛应用，例如神经网络，支持向量机，粒子群优化算法。
用ANSYS有限元法分析边坡稳定性的思考
用ANSYS有限元法分析边坡稳定性的思考发布时间：2021-07-08T07:42:19.893Z 来源：《防护工程》2021年7期作者：陈洁[导读] ：提出了ANSYS有限元法分析边坡稳定性的优点，使用ANSYS软件模拟典型天然边坡，为了提高仿真模拟的准确性和求解结果的准确度，提出在ANSYS软件中实体建模时在材料模型、几何模型和安全系数求解方面的思考。
针对实际边坡工程的ANSYS稳定性分析提出了一些问题和想法。
陈洁重庆交通大学河海学院重庆 400041摘要：提出了ANSYS有限元法分析边坡稳定性的优点，使用ANSYS软件模拟典型天然边坡，为了提高仿真模拟的准确性和求解结果的准确度，提出在ANSYS软件中实体建模时在材料模型、几何模型和安全系数求解方面的思考。
针对实际边坡工程的ANSYS稳定性分析提出了一些问题和想法。
关键词：边坡稳定；ANSYS；有限元1.ANSYS有限元法分析边坡稳定性的优点研究边坡稳定性问题可以大体分为极限平衡理论、室内模型研究和数值分析。
极限平衡理论不能考虑土体内部应力-应变的非线性关系，所求出的安全系数只能是假定滑落面的平均安全度。
求出的内力和反力不能代表实际产生的滑移变形的力，因此这个方法对于处理边坡稳定问题存在很大缺陷。
随着分析理论的不断完善，加之计算水平的不断发展，使有限元法有了越来越大的用武之地[1-2]。
用有限元研究边坡稳定性的优点如下：（1）破坏面的形状和位置不需要假定。
（2）有限元法有变形协调的本构关系。
（3）有限元法求解建议获得完整的应力、位移。
（4）有限元法可以考虑岩土体的不连续性，即非线性应力-应变。
2.ANSYS有限元法模拟边坡典型示例该边坡考虑弹性和塑性两种材料，边坡尺寸如图1所示。
图1边坡模型示意图计算模型为二维几何模型，模型先后建立了9个关键点、10条直线和3个面。
如图2所示。
图2 边坡网格模型示意图3.ANSYS实体建模中的思考尽管数值分析方法功能强大，但将其用于边坡稳定性分析现在也存在一些问题。
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(Finite Element Analysis)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。
ANSYS边坡稳定性分析(1)
搜索、 谷歌搜索等。 在自定义在线调查问卷的调查结果中， 证实 喜欢本 了上面的观点。参与调查的学生有 52 个， 网络课程的占 88.46%，其中很喜欢的占 57.69%， 感觉一般的占 7.69%， 不喜欢的占 3.85%。由此可 见学生们对于信息技术与课程整合的态度还是持 肯定态度的。又进一步分析那些不喜欢网络课程 的学生， 发现他们大多数是成绩很好的学生， 在和 他们进行访谈后， 了解到， 他们之所以不喜欢， 是 他们已经习惯传统的教学方式，通过传统的教学 从这方面 方式， 他们也可以取得好的成绩 。所以， 来看， 信息技术与课程整合的成功与否， 也要考虑 学生的感受， 不能一味的使用信息技术手段， 而忽 略的传统的教育形式。 5 结论 信息技术和课程的有效整合， 可以提高教学 教学方法， 甚至在教育 质量和效益。在教学模式、 观念、 教学思想方面都是一种改革， 促进教育的发 展。 信息技术与课程整合的课题研究对信息技 术与课程整合来说虽然不是万能，但却可以在很 大程度上促进信息技术与课程的有效的整合， 它 像是一道指令，指挥着教师用心的去提高自身的 信息技术能力， 没有懈怠， 教师们积极运用信息技 术于课堂之上， 拓展学生的视野， 培养学生创造性 分析信息 、 处理信息 思维， 使得学生在获取信息 、 的能力方面有很大的提高，从而增强对当今信息 技术高速发展的现代社会的适应能力。
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笔者在 2009 年申请内蒙古自治区教育科学 规划课题 《信息技术与中小学学科教学整合的研 的子课题， 课题名称为 《Moodle 在高中历史教 究》 ， 作为课题负责人， 克服了重重困难， 学中的应用》 最终使得课题顺利开展。 因为是在内蒙，整体信息技术水平相对落 后， 要进行信息技术与课程整合的难度较大。 首先 是思想上难以更新观念， 所在地鄂尔多斯， 经济较 为发达， 硬件设备也较为先进， 但是在人们的思想 观念里，信息技术就是简单的为课堂教学的辅助 工具， 尤其是最开始在找参与课题的老师时， 多次 碰壁， 有经验的老师不愿参与或者不想冒险， 以免 影响班级成绩，在笔者向学科教师演示了 Moodle 的丰富功能后，最终找到的一位是很有冒险精神 并敢于创新的年轻的历史老师， 实验才得以开始 。 由此可见，信息技术与课程整合的最大阻力并不 全是来自外部， 而是有可能来自学科教师本身。 众所周知， 信息技术教师在中小学工作比较 繁琐，在课题批下几个月后课题研究都没有什么 实质性的进展，不过由于研究自治区电教馆文件 的安排， 课题研究必须要按照计划进度进行， 在实 课程资源库充实后， 尤其是对实验 验平台的搭建、 教师的信息技术能力培训后，实验教师能够自己 使用 Moodle 网络课程后， 课题研究才有了实质性 的进展。 如何让学生对本网络课程产生兴趣， 让实验 顺利的进行， 这是最关键的问题。 本着对学生在使 舒适的原则下， 完善了 Moodle 用本网络课程方便、 的部分功能， 如批量添加用户时， 用户名是学生的 学号，选课密钥是 353 （参加课题研究的班级是 353 班
基于ANSYS的土质边坡稳定性分析
%&'()*++, 安徽建筑
图 2 有限元模型
图 4 加固后边坡塑形应变云图
通过不断增大折减系数对边坡进行稳定性分析，
. A得l到l 不R同ig折h减ts系数Re下s的er边v坡ed塑.形应变云图。图 3为 F
分别是 1.20、1.30、1.40、1.50时边坡塑形应变云图，由 图可知随着 F的增加，边坡最大位移不断增加，边坡 塑性区不断扩大最终延伸至坡顶使得边坡发生整体 失稳。经计算，边坡安全系数为 1.55，极限平衡状态下 最大位移为 0.410m，最大塑形应变为 0.044。利用锚 索对边坡进行加固，并在 F=1.55情况下进行计算，边 坡最大位移为 0.401m，最大塑形应变为 0.031。与未 加固相比，可发现塑形应变和最大位移均减小，边坡
稳定性得到提高。从图 4可看出锚索穿过滑动面,限 制是塑性区的发展。采用强度折减法，当 F=1.78时边 坡塑形区发生贯通，故加固后边坡安全系数为 1.78。 相比自然条件下，边坡安全系数有较大的提高，说明 采用锚索加固边坡是有效的。同时，可以发现，采用锚 索加固后，塑形区变深，说明锚索的设置可以有效发 挥深部土体的抗滑稳定性，从而提高边坡稳定性。
8.0
0.28 17 35
中风化凝灰岩 23.7
3.3×103
0.30 42 37
锚索
25.0
2.8×104
0.26 -
-
由于边坡沿其长度方向延伸很长，且其横截面和 '+%
受力情况不沿长度变化，可简化为平面应变问题来建 立模型。对边坡土体采用具有 8节点的 PLANE82单 元进行模拟，材料本构模型为理想弹塑性模型，屈服 准则选用摩尔 -库仑等面积 DP圆（DP3）；锚索采用 LINK1单元[6-7]。侧边界只对水平方向进行约束，底边 界在水平和竖直方向都进行约束，模型的上部边界取 为自由面。
用ANSYS分析边坡稳定性
用ANSYS分析边坡稳定性高恭星【摘要】传统方法分析边坡稳定性时,需要假设滑动面的形状；而用ANSYS分析边坡的稳定性时,不需做任何假设,就能得到安全系数,还能直观地得出边坡破坏的类型和形状.用ANSYS分析边坡的稳定性时一般采用强度折减法,ANSYS中常用准则为DP准则,如果要采用其他近似的修正准则则需进行转化.该文在c和φ取不同值时,用ANSYS (DP3)与用瑞典条分法和Janbu法分别计算得出不同的边坡稳定性安全系数,分析c、φ值对边坡稳定性的影响.【期刊名称】《重庆建筑》【年(卷),期】2012(011)009【总页数】4页(P80-83)【关键词】边坡稳定性;有限元折减法;ANSYS;屈服准则【作者】高恭星【作者单位】重庆大学土木工程学院,重庆400030【正文语种】中文【中图分类】TU4310 引言边坡的稳定性可以用安全系数K来表示。
K>1,边坡稳定；K=1，为临界状态；K<1，边坡失稳。
目前，在工程中计算边坡的稳定性的方法主要是建立在极限平衡理论的基础上如Janbu法、瑞典条分法、Bishop法等。
在计算安全系数时需要假设滑动面的形状。
而用有限元法分析，考虑材料的属性，应力应变的关系，满足力的平衡，不用做任何假设，计算完成后不仅能得到比较准确的安全系数，而且还能得到破坏时的滑移面，塑性应变区域、应力场、位移场等结果。
用有限元法分析边坡，可以考虑复杂土层介质，边坡内部的介质的应力应变，分析各种形状的边坡。
在得出安全系数的同时还可以清楚认识边坡滑移的类型，这对边坡加固工程具有指导性作用。
用有限元分析边坡的稳定性一般采用强度折减法。
本文基于强度折减法理论，运用ANSYS分析边坡的稳定性。
1 有限元强度折减法的原理有限元强度折减法的原理就是将岩土体的抗剪强度指标减小为c/K，tamφ/K，把经计算出的c'和φ'代替原来的c和φ，重新代入有限元中进行计算，反复迭代。
ANSYS边坡工程应用实例分析[详细]
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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。
内容 提要 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 边坡稳定性分析步骤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有侧向临空面的地质体,是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体的总称.坡面与坡顶面下部至坡脚高程的岩体称为坡体.倾斜的地面称为斜坡,铁路、公路建筑施工中,所形成的路堤斜坡称为路堤边坡;开挖路堑所形成的斜坡称为路堑边坡;水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成的斜坡也称为边坡;这些对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.首先,按其物质组成,即按组成边坡的地层和岩性,可以分为岩质边坡和土质边坡(后者包括黄土边坡、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征的基本因素之一,也是研究区域性边坡稳定问题的主要依据.其次,再按边坡的结构状况进行分类.因为在岩性相同的条件下,坡体结构是决定边坡稳定状况的主要因素,它直接关系到边坡稳定性的评价和处理方法.最后,如果边坡已经变形,再按其主要变形形式进行划分.即边坡类属的称谓顺序是:岩性—结构—变形.边坡工程对国民经济建设有重要的影响:在铁路、公路与水利建设中,边坡修建是不可避免的 ,边坡的稳定性严重影响到铁路、公路与水利工程的施工安全、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.因此,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,就处于各种应力作用(自重应力、构造应力、热应力等)之下.在边坡的发展变化过程中,由于边坡形态和结构的不断改变以及自然和人为营力的作用,边坡的应力状态也随之调整改变.根据资料及有限元法计算,应力主要发生以下变化:(1)岩体中的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,并开始出现水平方向的剪应力,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的应力集中带.边坡愈陡,应力集中愈严重,最大最小主应力的差值也愈大.此外,在边坡下边分别形成切向应力减弱带和水平应力紧缩带,而在靠近边坡的表部所测得的应力值均大于按上覆岩体重量计算的数值.(3) 边坡坡面岩体由于侧向应力近于零,实际上变为两向受力.在较陡边坡的坡面和顶面,出现拉应力,形成拉应力带.拉应力带的分布位置与边坡的形状和坡面的角度有关.边坡应力的调整和拉应力带的出现,是边坡变形破坏最初始的征兆.例如,由于坡脚应力的集中,常是坡脚出现挤压破碎带的原因;由于坡面及坡顶出现拉应力带,常是表层岩体松动变形的原因.4.1.2.2 边坡岩体变形破坏基本形式边坡在复杂的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,通过变形逐步发展至破坏.其基本变形破坏形式主要有:松弛张裂、滑动、崩塌、倾倒、蠕动和流动.4.1.3 影响边坡稳定性的因案影响边坡稳定性的主要因素有:(1)边坡材料力学特性参数:包括弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数.(2)边坡的几何尺寸参数:包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及坡面后方坡体的几何形状,即坡体的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系,它将确定坡体的各个部分是否滑动或塌落.(3)边坡外部荷载:包括地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等.4.1.4 边坡稳定性的分析方法分析边坡稳定问题,基本上可以分为两种方法:极限平衡方法和数值分析方法.4.1.4.1 极限平衡方法极限平衡方法的基本思想是:以摩尔一库仑抗剪强度理论为基础,将滑坡体划分成若干垂直条块,建立作用在垂直条块上的力的平衡方程式,求解安全系数.这种计算分析方法遵循下列基本假定:(1)遵循库仑定律或由此引伸的准则.(2)将滑体作为均质刚性体考虑,认为滑体本身不变形,且可以传递应力.因此只研究滑动面上的受力大小 ,不研究滑体及滑床内部的应力状态.(3)将滑体的边界条件大大简化.如将复杂的滑体型态简化为简单的几何型态;将滑面简化为圆弧面、平面或折面;一般将立体问题简化为平面问题,取沿滑动方向的代表性剖面,以表征滑体的基本型态;将均布力简化为集中力,有时还将力的作用点简化为通过滑体重心.极限平衡方法包括以下几种方法:(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方法都是假定土体是理想塑性材料,把土条作为一个刚体,按照极限平衡的原则进行力的分析,最大的不同之处在于对相邻上条之间的内力作何种假定,也就是如何增加已知条件使超静定问题变成静定问题.这些假定的物理意义不一样,所能满足的平衡条件也不相同,计算步骤有繁有简,使用时必须注意他们的适用场合.极限平衡方法关键是对滑体的休型和滑面的形态进行分析、正确选用滑面的计算参数以及正确引用滑体的荷载条件等.因为极限平衡方法完全不考虑土体本身的应力-应变关系,不能真实地反映边坡失稳时的应力场和位移场,因此而受到质疑.4.1.4.2 数值分析方法数值数值分析方法考虑土体应力应变关系,克服了极限平衡方法完全不考虑土体本身的应力-应变关系缺点,为边坡稳定分析提供了较为正确和深入的概念.边坡稳定性数值分析方法主要包含以下几种方法:(1)有限元法有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用最早的方法,也是目前最广泛使用的一种数值方法,可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题.目前用有限元法求解边坡稳定主要有两种方法.a.有限元滑面搜索法:将边坡体离散为有限单元格,按照施加的荷载及边界条件进行有限元计算可得到每个结点的应力张量.然后假定一个滑动面,用有限元数据给出滑动面任一点的向正应力和剪应力,根据摩尔一库仑准则可得该点的抗滑力,由此即能求得滑动面上每个结点的下滑力与抗滑力,再对滑动面上下滑力与抗滑力进行积分,就可以求得每一个滑动面的安全系数.b.有限元强度折减法:首先选取初始折减系数,将岩土体强度参数进行折减,将折减后的参数作为输入,进行有限元计算,若程序收敛,则岩土体仍处于稳定状态,然后再增加折减系数,直到程序恰好不收敛,此时的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,主导思想是减少前处理工作量和实现网格离散的客观控制.现已基本建立了一般弹性力学、流体动力学、渗流分析等领域的平面自适应分析系统,能使计算较为快速和准确.(3)离散单元法离散单元法的突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时,又能计算岩块内部的变形与应力分布.因此,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,故该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较合适.并且,它利用显式时间差分法(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.离散元法在模拟过程中考虑了边坡失稳破坏的动态过程,允许岩土体存在滑动、平移、转动和岩体的断裂及松散等复杂过程,具有宏观上的不连续性和单个岩块休运动的随机性,可以较真实、动态地模拟边坡在形成和开挖过程中应力、位移和状态的变化,预测边坡的稳定性,因此在岩质高边坡稳定性的研究中得到广泛的应用.(4)拉格朗日元法为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷,人们根据有限差分法的原理,提出了 FLAC数值分析方法.该方法较有限元法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性,求解速度较快.缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性.(5)界面元法界面元法是一种基于累积单元变形于界面的界面应力元法模型,建立适用于分析不连续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题,以及能够完全模拟各类锚杆复杂空间布局和开挖扰动的方法.4.1.4.3 有限元法用于边坡稳定性分析优点有限元法考虑了介质的变形特征,真实地反应了边坡的受力状态.它可以模拟连续介质,也可以模拟不连续介质;能考虑边坡沿软弱结构面的破坏,也能分析边坡的整体稳定破坏.有限元法可以模拟边坡的圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏.同时它还能适应各种边界条件和不规则几何形状,具有很广泛的适用性.有限元法应用于边坡工程,有其独特的优越性.与一般解析方法相比,有限元法有以下优点:(1) 它考虑了岩体的应力-应变关系,求出每一单元的应力与变形,反映了岩体真实工作状态.(2)与极限平衡法相比,不需要进行条间力的简化,岩体自始至终处于平衡状态.(3)不需要像极限平衡法一样事先假定边坡的滑动面,边坡的变形特性、塑性区形成都根据实际应力应变状态“自然”形成.(4)若岩体的初始应力己知,可以模拟有构造应力边坡的受力状态.(5)不但能像极限平衡法一样模拟边坡的整体破坏,还能模拟边坡的局部破坏,把边坡的整体破坏和局部破坏纳入统一的体系.(6)可以模拟边坡的开挖过程,描述和反应岩体中存在的节理裂隙、断层等构造面.鉴于有限元法具有如此多优点,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 ANSYS边坡稳定性分析步骤ANSYS边坡稳定性分析一般分以下几个步骤:1、创建物理环境2、建立模型,划分网格,对模型的不同区域赋予特性3、加边界条件和载荷4、求解5、后处理(查看计算结果)4.2.1创建物理环境在定义边坡稳定性分析问题的物理环境时,进入ANSYS前处理器,建立这个边坡稳定性分析的数学仿真模型.按照以下几个步骤来建立物理环境:1、设置GUT菜单过滤如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS,当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径:米ain 米enu>Preferences,执行上述命令后,弹出一个如图4-1所示的对话框出现后,选择Structural.这样ANSYS会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤,选择Structural 以便在进行边坡稳定性分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面.2、定义分析标题(／TITLE)在进行分析前,可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题,比如“Slope stability Analysis”,以便能够从标题上与其他相似物理几何模型区别.用下列方法定义分析标题.命令:／TITLEGUI:Utility 米enu>File>Change Title3、说明单元类型及其选项(KEYOPT选项)与ANSYS的其他分析一样,也要进行相应的单元选择.ANSYS软件提供了100种以上的单元类型,可以用来模拟工程中的各种结构和材料,各种不同的单元组合在一起,成为具体的物理问题的抽象模型.例如,不同材料属性的边坡土体用PLANE82单元来模拟.大多数单元类型都有关键选项(KEYOPTS),这些选项用以修正单元特性.例如,PLANE82有如下KEYOPTS:KEYOPT(2) 包含或抑制过大位移设置KEYOPT(3) 平面应力、轴对称、平面应变或考虑厚度的平面应力设置KEYOPT(9) 用户子程序初始应力设置设置单元以及其关键选项的方式如下:命令:ETKEYOPTGUI:米ain 米enu> Preprocessor> Ele米ent Type> Add/Edit/Delete图4-1 GUI图形界面过滤4定义单位结构分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位,则所有输入的数据都应当是这三个单位组成的表达方式.如标准国际单位制下,时间是秒(s),长度是米(米),质量是千克(千克),则导出力的单位是千克•米/s2(相当于牛顿N),材料的弹性模量单位是千克/米•s2(相当于帕Pa).命令:/UNITS5、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程序可方便地定义各种材料的特性,如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等.ANSYS程序可定义的材料特性有以下三种:(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.因为分析的边坡模型采用理想弹塑性模型(D-P模型),因此边坡稳定性分析中需要定义边坡中不同土体的材料属性:容重、弹性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角.命令:米PGUI:米ain 米enu>Preprocessor>米aterial Props>米aterial 米odels或米ain 米enu>Solution>Load Step Opts>Other>Change 米at Props>米aterial 米odels进行边坡稳定性分析计算时,采用强度折减法来实现.首先选取初始折减系数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.FC C =‘(4-1) F ϕϕtan tan =‘ (4-2) ◆ C 和ϕ为边坡土体的 初始凝聚力和摩擦角.◆ 对C 和ϕ进行折减,输入边坡模型计算,若收敛,则此时边坡是稳定的 ;继续增大折减系数F,直到程序恰好不收敛,此时的 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建好物理环境,就可以建立模型.在进行边坡稳定性分析时,需要建立模拟边坡土体的 PLANE82单元.在建立好的 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)以后,就可以划分有限元网格了 .通过GUI 为模型中的 各区赋予特性:1、选择米ain 米enu> Preprocessor> 米eshing> 米esh Attributes> Picked Areas2、点击模型中要选定的 区域.3、在对话框中为所选定的 区域说明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号.4、重复以上三个步骤,直至处理完所有区域.通过命令为模型中的 各区赋予特性:ASEL(选择模型区域)米A T (说明材料号)REAL(说明实常数组号)TYPE(指定单元类型号)ESYS(说明单元坐标系号)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(关键点、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的 边界条件和载荷转递到有限元模型上.边坡稳定性分析中,主要是给边坡两侧和底部施加自由度约束.命令:D施加荷载包括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程序根据现有选项的设置,从数据库获取模型和载荷信息并进行计算求解,将结果数据写入到结果文件和数据库中.命令:SOL VEGUI:米ain 米enu>Solution>Solve> Current LS4.2.5 后处理后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果.对于边坡稳定性分析中,进入后处理器后,查看边坡变形图和节点的位移、应力和应变.随着强度折减系数的增大,边坡的水平位移增大,塑性应变急剧发展,塑性区发展形成一个贯通区域时,计算不收敛,认为边坡发生了破坏.通过研究位移、应变和塑性区域,来综合判断边坡的稳定性.命令:／POST1GUI: 米ain 米enu> General Postproc4.2.6 补充说明边坡的失稳破坏定义有很多种,对于采用弹塑性计算模型的边坡,需要综合考虑以下因素:(1)把有限元计算的收敛与否作为一个重要的衡量指标,边坡处于稳定状态,计算收敛,边坡破坏时,边坡不收敛.(2)边坡失稳的同时还表现出位移急剧增加.(3)边坡失稳总是伴随着塑性变形的明显增加和塑性区的发展,塑性区的发展状况反映了边坡是否处于稳定状态.此外,采用弹塑性有限元法进行计算,它具有独特的优势:(1)弹塑性分析假定岩体为弹塑性材料,岩体在受力初期处于弹性状态,达到一定的屈服准则后,处于塑性状态.采用弹塑性模型更能反应岩体的实际工作状态.(2)岩体所承受的荷载超过材料强度时,就会出现明显的滑移破坏面.因此,弹塑性计算不需要假定破坏面的形状和位置,破坏面根据剪应力强度理论自动形成.当整个边坡破坏时,就会出现明显的塑性区.(3 )能综合考虑边坡的局部失稳和整体失稳破坏.4.3 ANSYS 边坡稳定性实例分析4.3.1 实例描述 米米米米米米边坡围岩1弹性材料边坡围岩2弹塑性材料图4-2 边坡模型边坡实例选取国内某矿,该边坡考虑弹性和塑性两种材料,边坡尺寸如图4-2所示.分析目的 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.对于像边坡这样纵向很长的 实体,计算模型可以简化为平面应变问题.假定边坡所承受的 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的 .实测经验表明,边坡的 影响范围在2倍坡高范围,因此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.弹性有限元的计算模型如图4-2所示.采用双层模型,模型上部为理想弹塑性材料,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.◆双层模型考虑土体的弹塑性变形,其塑性区的发展,应力的分布更符合实际情况.◆考虑双层模型,塑性区下部的单元可以产生一定的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出现的塑性区,更好地模拟了边坡的变形和塑性区的发展.4.3.2 GUI操作方法4.3.2.1 创建物理环境1) 在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【ANSYS10.0】/【ANSYS Product Launcher】,得到“10.0ANSYS Product Launcher”对话框.2)选中【File 米anage米ent】,在“Working Directory”栏输入工作目录“D:\ansys\exa米ple4-1”,在“Job Na米e”栏输入文件名“Slope”.3)单击“RUN”按钮,进入ANSYS10.0的GUI操作界面.4)过滤图形界面:米ain 米enu> Preferences,弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框,选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤.5)定义工作标题:Utility 米enu> File> Change Title,在弹出的对话框中输入“Slope stability Analysis”,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:米ain 米enu> Preprocessor> Ele米ent Type> Add/Edit/Delete,弹出一个单元类型对话框,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PLANE82单元对话框b.设定PLANE82单元选项:米ain 米enu> Preprocessor> Ele米ent Type> Add/Edit/Delete,弹出一个单元类型对话框,选中“Type 2 PLANE82”,单击“Options”按钮,弹出一个“PLANE82 ele 米ent Type options”对话框,如图4-5所示.在“Ele米ent behavior K3”栏后面的下拉菜单中选”,其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以,单击“OK”按钮.取“Plane strain图4-5 PLANE82单元库类型选项对话框◆通过设置PLANE82单元选项“K3”为“Plane strain”来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析.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PLANE82单元每个节点有UX和UY两个自由度,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)定义材料属性a.定义边坡围岩1材料属性:米ain 米enu> Preprocessor> 米aterial Props> 米aterial 米odels,弹出“Define 米aterial 米odel Behavior”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中右边栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后,又弹出如图4-7所示“Linear Isotropic Properties for 米aterial Nu米ber 1”对话框,在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3E10”,在“PRXY”后面的输入栏输入“0.25”,单击“OK”.再在选中“Density”并双击,弹出如图4-8所示“Density for 米aterial Nu米ber 1”对话框,在“DENS”后面的栏中输入边坡土体材料的密度“2500”,单击“OK”按钮.再次在图4-6中右边的栏中连续双击“Structural>Nonlinear> Inelastic>Non-米etal plasticity>drucker-prager”后,又弹出一个如图4-9所示对话框.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4-7 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“米aterial> New 米odel…”, 弹出一个“Define 米aterial ID”对话框,在“ID”栏后面输入材料编号“2”,单击“OK”按钮.弹出一个定义材料模型对话框对话框,选中“米aterial 米odel Nu米ber 2”,和定义边坡围岩1材料一样,在右边的栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic>Isotropic”后,又弹出一个“Linear Isotropic Properties for 米aterial Nu米ber 2”对话框,在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3.2E10”,在“PRXY”后面的输入栏输入“0.24”,单击“OK”.再选中“Density”并双击,弹出一个“Density for 米aterial Nu米ber 2”对话框,在“DENS”后面的栏中输入隧道围岩材料的密度“2700”,再单击“OK”按钮,弹出一个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….”,弹出一个“Copy 米aterial 米odel”对话框,如图4-10所示.在“fro米米aterial nu米ber”栏后面的下拉菜单中选取“1”,在“TO 米aterial nu米ber”栏后面输入“3”,单击“Apply”按钮.又弹出如土4-10所示对话框,然后依次在“TO 米aterial nu米ber”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4-10 复制本构模型对话框最后得到10个复制围岩1的边坡材料本构模型,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个强度折减后材料本构模型:首先定义强度折减系数F=1.2后边坡围岩材料模型,在图4-11对话框中,在鼠标依次双击“米aterial 米odel Nu米ber 3/Drucper-Prager”.弹出一个“Drucker- Prager 米aterial Nu米ber 3”,如图4-12所示,在“Cohesion”栏添入强度折减系数F=1.2后边坡围岩材料1的内聚力“0.75E6”,在“Fric Angle”栏添入折减后边坡内摩擦角“37.7”,单击“OK”按钮.用相同方法定义强度折减系数分别为:F=1.4、F=1.6、F=1.8、F=2.0、F=2.2、F=2.4、F=2.6、F=2.8、F=3.0的边坡围岩材料本构模型.◆定义强度折减后本构模型目的是为了分析边坡稳定性.◆强度折减就是降低内聚力和摩擦角,根据式4-1和式4-2进行折减.。
ANSYS有限元技术在边坡稳定性分析中的应用
1975年 , 英国科学家 Z ienkiew icz等首次在土工弹塑性有限元数值分析中提出抗剪强 度折减系数概念 , 由此所确定的强度储备安全系数与 B ishop 在极限平衡法中的稳定安全系 数在概念上是一致的 ( 栾茂田等, 2003)。有限元强度折减法原理是将材料的强度参数 c、 tan 值同时除以一个折减系数 F, 这时就会得到一个新的强度参数 c,' , ' 然后再用这个强 度参数进行试算 , 继续调整系数 F, 反复计算 , 直到所研究对象达到临界破坏 , 这个时候 的系数 F 就是该研究对象的安全系数。计算方程为 c = ' c /F , 土体的内聚力, 为岩土体的内摩擦角。 = ' arctan ( tan /F ); c 为岩
L i Jie Ouyang Zuxi L i Yujiang Zhou H ao W ei Xueyong
( Institute o f Crusta l Dyna m ics, CEA, Be ijing 100085)
B ased on the com parison o f characters betw een the li m it equilib riu m m e th od and the fin ite el em ent m ethod in slope stability ana ly sis , th e paper introduces the basic princip le o f strength reduc t io n fin ite elem ent m ethod , and then expla in s its applica tio n and advantage in the slo pe stab ility analysis w ith an exam ple.
用ANSYS分析边坡稳定性
高 恭 星
（ 重庆 大 学 土 木 工程 学 院 ， 重庆 ４ ０ ３ ） ０ ０ ０ 摘 要 ： 统 方 法分 析 边 坡 稳 定 性 时 ， 传 需要 假 设 滑动 面 的 形 状 ； ￣Ａ ＹＳ 析 边 坡 的 稳 定 性 时 ， 需做 任 何 假 设 ， 能得 到 安全 系数 ， 能 直 观 地 而 ＮＳ 分 不 就 还
任 何 假 设 ， 算 完 成 后 不仅 能得 到 比较 准 确 的 安全 系 数 。 且 计 而 还 能 得 到 破 坏 时 的 滑 移 面 ， 性 应 变 区 域 、 力 场 、 移 场 等 塑 应 位
得 出边 坡破 坏 的 类型 和 形 状 。 用ＡＮＳ 分 析 边 坡 的稳 定性 时 一 般 采 用 强 度折 减 法 ， ＮＳ 中常 用准 则 为ＤＰ 则 ， 果要 采 用其 他 近 似 的 修 正 准 ＹＳ Ａ ＹＳ 准 如
则则需进行转化 。 该文在ｃ Ｐ 和‘ 取不同值 时， Ｎｓ ｓ Ｄ ３ 与用瑞典条分法和 ａｂ 法分别计算得 出不同的边坡稳定性安全 系 分析ｃ‘ 用Ａ Ｙ （ Ｐ ） Ｊ１ Ｉｕ 数， 、 值对边 Ｐ
重 庆 建 筑
８ ０
Ｃｈ ｎ ｑｎ ｃ ｔｃｕ ｅ ｏ ｇ ｉｇＡｒｈｉ ｔｒ ｅ
ｄ ｉ ３ ６ ￣ ｉ ｎ１ ７ － １ ７２ １ ９ ８ ｏ－０ ９ ９ ．ｓ ． １ ９ ． ０ ． ０ １． ｓ ６ ０ ０２ ０
用Ａ Ｓ Ｓ 析 边 坡 稳定 性 Ｎ Ｙ 分
Ａｎ ｌ ｓｓ ｎ Ｓ ｏ ｅＳ ａ ｉ ｔ ｔ ａｙ ｉ ｌ ｐ ｔ ｂ ｌ ｙｗｉ ＡＮＳ ｏ ｉ ｈ ＹＳ
坡稳定性的影响。
关 键 词 ： 稳 定性 ； 限元 折 减 法 ；ＮＳ ； 边坡 有 Ａ ＹＳ 屈服 准 则
ANSYS有限元数值模拟在某开挖高边坡稳定性分析中的应用
________________________________________________________________________道路工程觀ANSYS模拟在某开挖高边坡稳定性的许容，王辉（安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽合肥246003）摘要：ANSYS有限元数值可以很好地模拟岩土体的力学性能，甚至通过选取适当的输入参数和计算模型,也能模拟出节理裂隙、软弱夹层、活动性断裂情形。
结合某开挖高边坡工程实例，利用ANSYS有限元软件，通过应力、变形以及能量计算分析边坡的稳定性。
关键词：ANSYS有限元;数值模拟;稳定性中图分类号：U416.1D4文献标识码：A DOI：10.13282/ki.wccst.2020.09.011文章编号：：673-4874（2020））9-0039-040引言边坡分析方多，常用的方法主要力、变形n量计算分析边坡性。
其采用矩阵分析模式,更加方程分析。
注意的土工程元分析时，不注重量值的大小，应更加注重应力的分布情况与相对的情况。
1边坡工程地质概况边坡南省境内,构造主要受北西向和近南北向构造控制！构造背分复杂。
该边坡区2#倾倒边坡冲沟下游侧1570-1840m高程处发育。
变形体表层覆盖有块石、碎石混粉土的坡积层;倾倒岩体主要为板岩（J h）；下伏基岩为变质火山角砾岩夹片理化变质凝灰岩（T3xd）。
2模型建立及数值模拟2.1有限元模型建立选取开挖边坡横剖面，该剖面正面开挖边坡，剖面线总长535m,前缘高程1540m,后缘高程1960m。
右岸边坡开挖至缆机，高程为1678m（见下页图1）。
剖面的二维的渗流插值的方式赋予网格中的各个节点,具体步骤如下：首先各个工况下的渗流场进行模拟,得出某刻的力图（见下页图2）。
提取图中各和力值,通过插值的方入ANSYS FLUENT模块中，使用TB、PM命令的和BQT义性。
然后，通过fluent输出中db格式文件，最导入ANSYS中。
某边坡基于ANSYS的稳定性分析
某边坡基于ANSYS的稳定性分析摘要：目前许多边坡受人类工程活动或者自然灾害的强烈扰动，造成许多了许多的灾难，例如滑坡、崩塌、泥石流等众多边坡问题屡见不鲜，严重损害了人类的经济以及威胁着人类的生命安全。
针对以上问题本文采用一个实际的案例，来分析该边坡的稳定性问题。
主要内容是：利用ANSYS有限元强度折减法来分析和判定某边坡的稳定性，根据ANSYS软件求得的塑性应变云图和位移图，来判定边坡发生失稳时的折减系数，从最后的计算结果不收敛求得边坡的安全系数。
关键词：ANSYS；边坡稳定性；强度折减法；屈服准则；安全性系数0引言近年来，许多边坡灾害事故频发，威胁着人类的生命安全和财产安全。
因此对边坡的稳定性进行分析是非常重要的。
本文研究内容是结合某工程实例，依据有限元强度折减法，用内摩擦角和粘聚力分别除以折减系数得到折减后的参数，运用ANSYS软件进行边坡数值模拟来分析和评价该边坡的稳定性。
1 有限元强度折减法1.1有限元强度折减法当边坡的土体满足莫尔-库伦剪切破坏准则时，可采用强度折减法。
具体的计算步骤是：①选取合适的折减系数。
②用土体的粘聚力和摩擦角除以折减系数。
③把折减后参数代入ANSYS数值模型中进行运算[1]。
如果在ANSYS软件计算时计算恰好不收敛，此时把折减系数定义为安全系数。
本文采用的强度折减法计算公式如下：，（1）式中：为折减系数；和分别为折减前后的粘聚力；和折减前后的内摩擦角。
1.2 屈服准则选取1.2.1 D-P屈服准则Drucker-Prager（D-P屈服准则）的屈服面在主应力空间中是一圆锥面，相较于六棱锥面来说，更利于数值计算，因此，大多数数值分析中使用D-P准则[2]。
由于不同的屈服准则所对应的的安全性系数不同，在实际应用时发现用ANSYS软件进行数值模拟时，DP3误差仅在1％左右，因此本文采用DP3。
1.2.2 参数换算换算与M-C屈服准则相匹配的D-P[3]屈服准则，设粘聚力和摩擦角为岩土实际的材料参数，令，。
基于ANSYS的路堑高边坡稳定性动态分析
０ｌ√ ２ ｋ ＋ Ｊ ＝
—— （ ） 式１
— — （ ２ 式 ）
用Ｐ 来表示 即为 ： ，ｑ
， ｑ （３ 一 ４ａ ） ０ ＝ 一ｄ ｋ ３ ３ｐ ＝
票
可靠 性分析 法和模 糊分 级评判方 法等 ； （ ）物理 模拟方 ４
法 ，如底摩 擦试 验 ，离 心模拟试 验等 ； （ ）现场 监测分 ５
该面 的滑动变形 破坏 。据现场地 质勘探 资料 ，确 定该 面为 边坡 的潜在 最危 险滑 面。
否
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Ｉ 缩 ｆ 。 柬。
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３２支护加 固措施、边界条件及载荷的模拟 ． （ ）锚索模拟 ：采用 一维杆 单元来计算 ，材料使用钢 １
Ｋｅ ｏ ｄ ： ｌ ｒｔ ｒｏ ； Ｍ ： ｌ ｐ ｙｗ ｒ ｓＹｅｄｃ ｉｅｉ ｎ ＦＥ Ｓ ｏ ｅ
பைடு நூலகம்
ｌ 引言
Ｄ ｕ ｋ ｒ Ｐ ａ ｅ准 则 ，下面就 以这种准 则来 说明坡体 稳定系 ｒｃｅ—ｒｇｒ 数Ｋ 的计 算方法。 ｓ Ｄｕ ｋ ｒ Ｐ ａ ｅ 强度屈服 准则是广 义米 赛斯 （ ｉ ｅ ｒｃｅ—ｒｇｒ Ｍ ）准 ｓ
向位 移约束，模型下边作用竖直方 向位移约束 。
３３ 高边坡动态数值分析 ．
５５１ ．．边坡 未加 固 前
此 时只考虑 边坡 自重作 用力 ，对 边坡 的力学行 为和稳 定性的分析的主要结果 。
瓤 Ｉ， ｔ０ —０ 粥 ５ ＇ ｓｌ
绞 线 ，所 需参数 主要为Ｅ ； （ ）锚杆 模拟 ：采 用一维 、 ２ 杆 单元 来计 算 ，材料 使用 钢筋 ，所 需参 数主 要 为Ｅ ｕ； 、
基于ansys模拟不同岩层的斜坡稳定性分析研究
基于ANSYS模拟不同岩层的斜坡稳定性分析研究田园园，高阳（安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥230601）墨W:沖摘要：地球由不同的岩层叠加而成，为了研究不同岩层的稳定性，需对不同岩层倾斜坡面进行稳定性研究。
文章利用大型有限元ANSYS进行模拟,分析倾斜坡面的倾斜程度与土体重度对边坡稳定性的影响。
研究结果表明：土体重度受到含水量的影响，倾斜坡面程度对边坡稳定性的影响大于土体重度对边坡稳定性的影响。
数值模拟研究结论可以为以后边坡稳定的加固与防护提供参考依据，另外，在雨水来临之前提前做好防护，可以减小泥石流的危害。
关键词:ANSYS;稳定性;重度;倾斜程度中图分类号:TU457文献标志码：B文章编号：1007-7359（2019）12-0132-03DOI：10.16330/j.c n ki.1007-7359.2019.12.055影响边坡稳定性分析的因素很多〔T,包括地下水对边坡稳定的影响、山体岩层的性质（内摩擦角、粘聚力）对边坡稳定性的影响、边坡的几何特性（边坡的高度、倾斜角度）、自然条件的影响（冻融破坏、雨水浸润、风沙冲蚀）等。
在地球表面是一层一层的岩层，不同种类的岩层具有不同的稳定性特征，另外，地球表面是高低不同的,雨水流过表面会形成一定的水土流失W,轻者水土流失,重者泥石流。
倾斜岩层发生滑坡阻碍交通，影响国民经济运行，因此，研究倾斜岩体的稳定性具有一定的研究意义。
现已经有很多科学工作者研究关于边坡稳定性的研究。
高级工程师甘露2利用有限元软件ANSYS模拟了弹性模量、容重、泊松比、粘聚力、内摩擦角、坡高和坡角对边坡稳定性的影响。
结果表明,弹性模量和泊松比对边坡稳定性影响不大,容重和坡高对边坡稳定性影响较大，应加强对边坡的防护。
高恭星2利用ANSYS软件计算了粘聚力和内摩擦角对边坡稳定性的影响，得出了粘聚力和内摩擦角都能显著影响边坡的稳定性，另外还得出强度折减法Drucker-Prager3在ANSYS软件中就计算边坡稳定误差最小。
ANSYS边坡稳定性分析命令流
asel,a,,,22,25,3
asel,a,,,26,28,2
asel,a,,,31,32,1
asel,a,,,34,50,2
asel,a,,,53,54,1
asel,a,,,56,59,3
asel,a,,,60,62,2
asel,a,,,65,67,1
MP,PRXY,4,0.3
MP,DENS,4,7960
!定义实常数
R,1,0.3,0.3*0.3*0.3/12,0.3, !衬砌支护实常数
R,2,3.14*0.025*0.025/4,, !锚杆实常数
asel,a,,,69,71,2
asel,a,,,75
aadd,all !删除所选择的所有面
allsel
!保存几何模型
save,Tunnel-geom.db
!划分网格生成有限元模型
!划分梁单元
mat,1 !指定梁单元材料特性
!进入前处理器
/PREP7
!定义分析参数
*set,jd_s ,0
*set,jd_e,180-jd_s
*set,num,30
*set,jd ,(jd_e-jd_s)/num
*set,distance,10 !溶洞与隧道距离
!划分锚杆
lsel,s,,,26,48,22 !选择锚杆线
lsel,a,,,61,71,10
lsel,a,,,77,89,12
lsel,a,,,92,95,3
lsel,a,,,107,113,3
lsel,a,,,125,131,6
MP,PRXY,2,0.32
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边坡稳定性分析、问题描述
边坡围岩分别选择3种材料，用强度折减法判断稳定性及安全系数。
、建模
三、材料参数
单元类型：PLANE82
受力状态：平面应变Plain strain
四、载荷
1. 位移条件
两侧边约束X方向位移，底边约束X、Y方向位移。
2. 受力条件
重力10g/cm2
1
NODES
U
五、结果分析
1•收敛结果
ANSYS
R15XJ
JUN 28 Z015
13:03:04
丄塔丄』；；冷：忖:£ K :
伴随强度折减系数的增加，边坡的塑性应变增大，塑性区也随之扩大，当塑性区发展成一个贯通区域，边坡就不稳定，此时求解也不收敛。
与此同时，边坡水平位移也变大。
因此, 主要通过观察后处理中边坡变形图、应力图、塑形区来判断稳定性与否。
2. F=1.0结果分析
F=1.0时边坡变形图
311^1
KY5-€
W —.0S3TM
MH
-.C5S*44 -.SLSil
■“”戸呂0^36C"? ,0315^3 .eCSTgfl
AN SYS
R15.0
JUK 冲
12：aa：Z4
F=1.0时边坡X方向位移云图
F=1.0时边坡X方向应力云图
AN SYS
R15.0
JOE品p冨耶43 12：DO15Q T.[?SE-L
EPFLE J JV悵V⑹
Mt
SME --34&E-34
M 强“阴.1&91-0< .2A0K-Q4 .HCS«-CI
3»K-«& . ll&E-CH . I^lE-04 . E ECB-O^ . J：4fiE-CH
F=1.0时边坡塑性变形云图
此时边坡坡趾处有微小塑性应变，塑性区范围较小。
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-.osasi«r
'.aitSi4fl ： ' _fi9-s27H -■frilJ*1! rd 如 9"
卍财 Ml
4片轴*
ll«at
边坡水平方向最大位移为
116.21mm 。
3. F=1.2结果分析
F=1.2时边坡变形图
SOUL SDUJT IQN STEP*：
SnE 7
IlKt-： us ixmi MT5-C
聊-ai«i
.J1ZT 才9 Wis
HlMin
F=1.2时边坡X 方向应力云图
F=1.2时边坡塑性变形云图
边坡塑性区进一步扩大，在边坡右侧边界出现塑性区。
WDKL 50L7TTM
5T41I
砸-4 TIW-I 5X «¥3=a
mx. IMh
ANSYS
Rl5,0
=1-46577 =mw
F=1.4时边坡变形图
ANSYS
R15.0
JCT 29 2015
= -…»0237r na^5S7T \£197044
4.F=1.4 FTT1P-I
5UB M
ESTSeE
□MX -1.62512 Mf
・r 灯站H
34X -.1241^4
边坡水平位移最大为124.189mm
F=1.4时边坡X 方向应力云图
ANSYS
R15.0
OT 彗
SC15
12:D5:33
.3G^fc-o4
-£e7K-fla
.jeaS-ai
r 3,^4S-Q^
,34^-04
F=1.4时边坡塑性变形云图
srtr-i
W04
sa& =4 ZD£=1 BHK
HK£ -.4211-E3
模型中塑形区发展，坡趾处塑性区进一步扩大。
5.F=1.6
F=1.6时边坡变形图
WD-l JGLHIOT 5TEFM
SUB
］诚二t
El
Jt5i!5=
0R15.0
HX -1. TS< 13
愛UM ^a144 94S 胡X -.105^74
HX
JUF 29 2315
UiHsll -_ nwvta
水平位移下降为105.874，说明边坡开始破坏。
F=1.6时边坡X 方向应力云图
.boii-dj
.^&at ・n,
acuddj
为
.骄五曰靈a^7E-es
.右 gto^
F=1.6时边坡塑性变形图
坡趾处明显塑性变形进一步向坡顶扩大。
mGAL aoLinicffi
-…jLvu.*3 9
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R15.0
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6.F=1.8
DIJriR^KN ： EH
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+
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25 2D15 匕口
lUDk 业
F=1.8时边坡变形图
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水平位移急剧下降为68.264mm，说明边坡已破坏。
F=1.8时边坡X方向应力云图
F=1.8时边坡塑性变形图
塑形区贯穿到坡顶，破坏。
7•总结
1 ）从边坡模型变形图分析，随着强度折减系数的增加，边坡变形加大，当F=1.8时，解不收敛，此时边坡破坏面近似圆弧形，说明此时边坡已经不安全。
2 ）从边坡水平方向位移云图分析，随着强度折减系数的增加，水平位移波动很大，刚开始水平位移慢慢增大，当F=1.6之后，边坡模型的水平位移减小。
3 ）从塑性应变云图分析，塑性应变逐渐增大，坡趾处应变最大。
边坡安全系数可以取1.6。