基于ANSYS 的边坡开挖模拟

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基于ANSYS 的边坡开挖模拟

更新时间：2011-11-24	下载次数：
资料语言：英文	资料大小：未知
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摘　要:基于ANSYS 软件对边坡的开挖进行了模拟分析,并对该过程中涉及到的生死单元、有限元强度折减法做了介绍,提出了用生死单元在建模过程中的优点,最后以工程算例做计算分析,计算了开挖边坡的稳定系数。

关键词:ANSYS 边坡开挖,生死单元,强度折减

　边坡的开挖在一些边坡工程中是经常会遇到的,边坡开挖是一个卸荷的过程,在卸荷前后边坡的稳定性状况直接关系着工程的施工安全、施工进度和经费预算等,因此有必要对边坡的稳定性进行定性定量的综合分析。边坡开挖前后的应力场和位移场的变化规律是边坡稳定性评价的基础,准确评价和预测边坡的稳定状况和发展趋势将为边坡的处理措施提供可靠的依据。随着计算机模拟数值计算技术的发展,可采用ANSYS 有限元软件对边坡开挖进行验算。

1 　ANSYS 中的生死单元

在边坡工程的开挖过程是一个动态的连续施工过程,而不是一次成型的,而且工程上关心的是施工过程中以及施工结束时土工结构物的应力应变分布。充分应用生死单元的优点能收到事半功倍的效果。单元生死是指在有限元分析过程中,在力学模型中加入或删除材料,模型中的相应单元就会“虚化”或“激活”。应用单元虚化和激活的优点是:1) 观察每一个荷载步结束后的求解结果并进行对比分析,因而能够模拟整个开挖过程的力学状况的变化。2) 只需要建立一次模型,通过虚化单元来模拟进程,而其他方法需要建立多个模型进行过程分析。

2 　边坡稳定性有限元分析的强度折减法

将强度折减法应用于边坡稳定性分析中,折减土体强度,代入有限元程序进行计算,直至计算不收敛,此时的折减系数即为安全系数。在考虑屈服准则时,一般采用Drucker2Prager 屈服准则,它既考虑了中间主应力σ2 对屈服强度的影响,又考虑了静水压力对屈服强度的影响,对土体材料有较好的适用性,已广泛应用于土体分析。Drucker2Prager 屈服准则表达式如下:

F = 3βσm + [ { S } T [ M ]{ S } ]1/ 2 - σy = 0 。

其中,σm 为平均应力或静水压力;{ S } 为偏应力差;β为材料常数,β=2sinφ/ (3 - sinφ); [ M ]为Miss 准则中的相关参数矩阵;σy =6ccosφ/ (3 - sinφ),φ为内摩擦角, c 为粘聚力;在ANSYS 中,DP材料的选项数据表要输入三个值:粘聚力c ,内摩擦角φ,膨胀角φf。膨胀角φf 被用来控制体积膨胀的大小,对压实的颗粒材料,当材料受剪时,颗粒将会膨胀,如果膨胀角φf = 0 ,则不会发生体积膨胀。如果在材料中φf =φ,将会发生严重的体积膨胀。一般来说,φf = 0 是一种保守的方法。有限元法分析边坡的稳定性克服了传统分析法的不足,不仅满足力的平衡条件,而且还考虑了土体应力、变形关系和支挡结构的作用,能够得到边坡在荷载作用下的应力、变形分布,模拟出边坡的实际滑移面。有限元强度系数折减法的基本原理是将坡体强度参数(粘聚力c 和内摩擦角φ) 同时除以一个折减系数F ,得到一组新的c′,φ′值,然后作为新的资料参数输入,再进行试算,致在水平位移突变的地方及塑性变形发展严重的部位;

2) 考虑了土体的本构关系以及变形对应力的影响;

3) 能够对具有复杂地貌和地质的边坡进行计算;

4) 求解安全系数时,可以不需要假定滑移面的形状,也无需进行条分也不需要假定土条之间的相互作用力。

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