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1、第37卷第5期贵州工业大学学报(自然科学版)Vo.l37No.52008年5月JOURNALOFGUIZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGYMay.2008(NaturalScienceEdition)*文章编号:1009-0193(2008)05-0169-04ANSYS在边坡稳定分析中的应用张建,范媛媛,黄质宏(贵州大学土木建筑工程学院,贵州贵阳550003)摘要:利用ANSYS提供的非线性弹塑性模型,采用建立在强度缩小有限元分析基础上的边坡稳定分析理论进行分析计算,并给出了滑裂面及安全系数,并通过与摩尔-库仑
2、等面积圆屈服准则计算结果进行换算,换算后的安全系数与传统的摩尔-库仑准则结果接近,说明用AN-SYS分析边坡稳定具有一定的实用性和可靠性。关键词:有限元;ANSYS;屈服准则;边坡稳定中图分类号:TU432文献标识码:B1引言目前,研究边坡稳定的传统方法主要有:极限平衡法,极限分析法,滑移线场法等。这些建立在极限平衡理论基础上的各种稳定分析方法没有考虑土体内部的应力应变关系,无法分析边坡破坏的发生和发展过程,在求安全系数时通常需要假定滑裂面形状和位置等。随着计算机硬件、软件的飞速发展,采用理论体系更为严格的方法进行边坡稳定分析已
3、经成为可能。有限单元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。使有限元分析边坡稳定成为近年来的新趋势,有限元方法不仅能计算出土体内的应力场分布,还可以了解边坡逐步破坏机理,跟踪边坡内塑性区的开展情况。将有限元分析方法应用于边坡的稳定计算中,可以通过对边坡应力应变的分析,更好地分析边坡的稳定性和估计裂缝的发展。近期在将有限元计算成果与传统的安全系数结合起来,直接用于边坡设计的判断依据的研究获得了一定的成果,如建立在强度缩小有限元分析基础上的边坡稳定分析原理等,本文将利用这些理论成果,结合有限元分析软件ANSYS,进
4、行边坡的静力稳定分析。1计算理论本文计算采用的是理想弹塑性模型。有限元分析软件ANSYS采用德洛克(Druker)和普拉格(Prager)[1]提出的广义米塞斯准则,即Druker-Prager准则:f1=J2=k1-B1I1(1)式中:B1、k1为材料常数;I1为应力张量的第一不变量,J2为应力偏张量的第二不变量。根据ANSYS提供的非线性弹塑性模型Druker-Prager模型,使用广义米塞斯屈服准则,流动法则可用相关联流动法则或不相关联流动法则,模型忽略硬化规则的影响。B1、k1分别为:2sinU6ccosUB1=(2)k
5、1=(3)3(3-sinU)3(3-sinU)式中:c为材料的粘聚力,U为材料的内摩擦角。Druker-Prager模型的屈服面是摩尔-库仑屈服准则外角点的外接圆,见图1.c建立在强度缩小有限元分析基础上的边坡稳定分析的基本原理是将边坡强度参数粘聚力c和摩擦系数ccctgU同时除以一个折减系数Fs,得到一组新的c和U值。然后作为一组新的材料参数输入,再进行有限元计算。当计算不收敛时,对应的Fs就为边坡的最小安全系数,此时边坡达到极限状态,发生剪切破坏,同时可*收稿日期:2008-04-11作者简介:张建(1977-),男,河南南
6、阳人,研究生,研究方向:岩土工程。170贵州工业大学学报(自然科学版)2008年得到临界滑动面。ANSYS提供了岩土的非线性弹塑性模型,模型遵循Druker-Prager准则,适应于相关联流动法则和不相关联流c动法则(根据剪胀角7的值确定)。采用八节点四边形单元,在重力荷载作用下刚度矩阵生成和应力再分配的算法中都采用这种单元。假定土体开始为弹性的,模型在网格内所有节点生成正应力和剪应力。然后将这些应力与Druker-Prager准则相比。如果在特定节点上的应力位于D-P破坏图1摩尔-库仑和Druker-Prager准则圆锥内,则
7、该点仍然是弹性的。如果位于圆锥上或圆锥外,则该点处于屈服状态。利用弹塑性算法,屈服应力在网格中被重分配。当足够数目的节点发生屈服使机制发生变化时,即认为发生了整体剪切破坏。研究采用的土体模型包括六个参数,摩擦角(U),凝聚力(C),剪胀角(U),杨氏模量(E),泊松比(T),容重(C).一个土质边坡的安全系数是这样定义的:为了使边坡达到破坏,给原始的剪切强度参数除以一个数,这cc个数就是安全系数。则经过折减的剪切强度参数cf和Uf变为:cccctanUcf=c/Fs(4)Uf=arctan(5)Fs传统的边坡稳定极限平衡法采用摩
8、尔-库仑屈服准则,安全系数定义为沿滑裂面的抗剪强度与滑裂面上实际剪力的比值,用公式表示如下:cccQ(c+RntanU)dlFs=(6)QSdl将式(6)两边同时除以Fs,则变为:cccctanU+RdlcccQn(cf+RntanUf)dlFsFsQ1==(7
