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1、土石坝有限元分析1．问题描述采用邓肯-张模型对土石坝施工过程和蓄水状态受力情况进行分析，选择通用有限元分析软件ANSYS作为研究平台，计算土石坝竣工期竖向方向沉降、水平方向沉降、最大主应力和最小主应力情况。坝体结构示意图如图1所示。本文主要完成以下工作：采用ANSYS内部参数化设计语言APDL编写邓肯-张模型计算材料弹性参数；使用中点增量法计算每步施工单元材料弹性参数；根据位移修正算法，编写专用程序对计算结果进行处理，获得坝体沉降云图。（本文针对每个步骤提供相应的APDL程序，方便后续研究人员进一步研究，也希望阅读本文的读者能够将自己的研究成果与大
2、家分享。相关程序可能存在错误，笔者也未能完全认识到，仅做参考）全风化花岗岩淤泥质粘土坝身填土排水棱体图1坝体结构示意图计算所采用参数详见表1所示。仿真分析结果如下图。图1竖向沉降位移云图图2水平方向位移云图图1最大主应力云图图2最小主应力云图仿真分析流程图如下图。建立几何模型划分网格针对每次浇筑层，建立单元组件计算地基初始弹性参数地基初始应力场计算使用EB模型计算弹性参数中点增量法计算弹性参数激活下一层土初始应力场计算使用EB模型计算弹性参数否填至坝顶是结束图1仿真分析流程图1．关键仿真分析过程2.1网格划分与单元组件创建当几何模型比较规则时，尽可
3、能采用映射方式划分网格，网格分布规则，位移结果过渡光滑一些。一般情况下几何模型比较复杂，此时建议将截面网格尺寸设置小一些，可以设置为每次浇筑层厚度的四分之一。采用扫略的方式划分网格，扫略方向可以设置少一些网格，控制整体网格数量。有限元网格模型如下图。图2有限元网格模型坝体浇筑分为13步完成，每次浇筑层厚度为1m，根据竖向坐标选取浇筑层单元，创建单元组件，如图8和图9所示。图1创建单元组件图2单元示意图相关命令流程序如下：!单元分组!==================================================vsel,s,lo
4、c,y,0,13.2!选择坝体几何体alls,below,volu!选择坝体单元和节点cm,ebar,elem!创建单元组件ebarcm,nbar,node!创建节点组件nbarystep=13.2/13!浇筑层厚度ytorl=0.2!选择重叠区域范围*do,i,1,13!循环建立每步浇筑层组件cmsel,s,nbarcmsel,s,ebarnsel,r,loc,y,ystep*(i-1)-ytorl,ystep*i+ytorlesln,r,1cm,e%i%,elem!组件名格式为exx*enddo2.2初始应力场计算初始应力场计算时，采用生死单元
5、法抑制所有填筑层土体，仅保留地基土体处于激活状态。由于地基部分包含了两种土层：基岩和地表覆盖层。所以分为两步计算土体初始应力场。图1地基最小主应力分布云图相关命令流如下：!求解器!==================================================fini/solu!第1步：激活基岩部分!==================================================antype,0nropt,fullrescontrol,define,all,last!仅通过最后子步重启动分析outres,al
6、l,last!保存在最后子步保存所有结果acel,,9.806!施加重力加速度载荷cmsel,s,ebar!杀死所有坝体填筑层单元ekill,allcmsel,s,volu3!杀死地表覆盖层土体单元alls,below,voluekill,allcmsel,s,volu4!计算基岩初始应力场alls,below,volumyinismyinisalls!计算time,1savesolverstnew!提取应力结果parsav,all,parms!保存参数信息!第2次计算fini/soluallsmatnew,emntr,1,1!根据eb模型计算土体
7、弹性参数cmsel,s,volu4alls,below,voluemcalc!根据中点增量法计算土体实际参数time,1!计算allssave,case1_1,db,,modelsolveparsav,all,parms!第2步：激活地表土层!==================================================fini/soluantype,,restart,1,,continue!重启动分析parres,,parmsalls!杀死坝体填筑层cmsel,s,ebarekill,allcmsel,s,volu3!计算地
8、表覆盖层土体初始应力alls,below,voluealive,allmyinistime,2!求解allssave,ca
