基于ANSYS的均質土層邊坡穩定性分析

2017-03-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1、引言

邊坡是天然斜坡和人工邊坡的總稱[1]。邊坡失穩是生態環境和工程建設中經常遇到的廣泛且嚴重的地質災害之一,給世界各國人民的生命財產和經濟建設帶來了巨大韻損失。例如,美洲的美國每年因滑坡而造成的損失達10億多美元[2],歐洲的意大利金1963年發生的瓦依昂水庫庫岸滑坡,造成2500多人死亡,水庫也因此失效。我國是一個滑坡、崩塌災害較為頻發的國家,據不完全統計,進十年來幾乎每年平均有一次重大崩、滑災害事件[3]。因此,研究邊坡變形破壞的意義是不言而喻的。邊坡的穩定性問題一直是土木工程中的一個非常重要的問題。不論是修建高速公路、鐵路、機場等交通設施,還是建造礦井、大壩和大型建筑工程等大都需要分析邊坡的穩定性。

為了達到對滑坡的應力和應變進行分析,本文采用了彈塑性大變形有限元方法。眾所周知,分析邊坡問題時,普遍采用德魯克一普拉格屈服準則,但這一準則在平面上與摩爾一庫侖不等角六邊形出入很大,難以滿足在計算中的精度,本文根據前人的研究成果,將德魯克一普拉格屈服準則塑性參數進行變化,從而將其轉化為摩爾一庫侖等面積圓準則;同時采用強度折減技術對邊坡進行穩定性分析,研究了二維邊坡穩定性問題。

2、計算方法

邊坡穩定性主要采用強度折減有限元法,指出邊坡的穩定安全系數可以定義為使邊坡剛好達到臨界破壞狀態時對土的剪切強度進行折減的程度,即定義穩定安全系數是土的實際抗剪強度與臨界破壞時折減后的剪切強度的比值,這種強度折減技術特別適合于用有限元方法來實現。其優點有①.能夠對具有復雜地貌、地質的邊坡進行計算;②考慮土體的本構關系,以及變形對應力的影響;③.能夠模擬土坡的滑移面形狀,滑移面大致在水平位移突變的地方及塑性變形發展嚴重的地方;④.能夠模擬土體與支護結構的共同作用;⑤.求解穩定安全系數時可以不需要假定滑移面的形狀,也無需進行條分。

2.1強度折減技術的計算原理

對于天然的、無支護結構,具有簡單剖面的均質邊坡,從直觀意義上能夠比較準確地把握潛在破壞面的位置與形狀,從而采用極限平衡法能夠較方便地確定邊坡的臨界破壞面及相應的穩定安全系數。但是,實際中無論是天然邊坡還是人工填土邊坡或切土邊坡,往往斷面比較復雜。同時一般為保證邊坡的穩定性而必須采取一定的加筋或加支護措施。對于這種具有復雜斷面或加筋,加固的邊坡,由于難于事先確定滑動面的形狀與位置,傳統極限平衡條分法的應用受到了限制。1975年Zienkiewicz等首次在土木彈塑性有限元數值分析中提出了抗剪強度折減系數概念。由此所確定的強度儲備安全系數與Bishopza在極限平衡法中所給出的穩定安全系數在概念上是一致的。抗剪強度折減系數(SSRFahearstrength reduction factor)定義為:在外荷載保持不變的情況下,邊坡內土體所發揮的最大抗剪強度與外荷載在邊坡內所產生的實際剪應力之比。外荷載所產生的實際剪應力應與抵御外荷載所發揮的最低抗剪強度即按照實際強度指標折減后浙確定的、實際中得以發揮的抗剪強度相等。當假定邊坡內所有土體抗剪強度的發揮程度相同時。這種抗剪強度折減系數定義為邊坡的整體穩定安全系數。由此所確定的安全系數可以認為是強度儲備安全系數,而在地基極限承載力與傳統邊坡穩定性分析中所采用的常規安全系數一般是指荷載增大系數(或加載系數)。強度折減概念能夠將強度儲各安全系數與邊坡的整體穩定安全系數統一起來。而且在有限元數值分析中無需事先確定破壞面形狀與位置。因此在實際中逐漸得到廣泛應用。

在基于強度折減概念的彈塑性有限元數值分析中,對于域內某一點,按照Bishop安全系數的一般定義。同時考慮到該點的抗剪強度,可用Mohr-Coulomb破壞準則表示為:

2.2 顆粒狀材料(混凝土、巖石和土壤)的4種屈服準則

2.3屈服準則在大型通用程序ANSYS中的實現

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3、計算實例

圖5到圖12給出了強度折減系數從1.1到1.7的y方向的位移云圖和等效塑性應變云圖,當F=1.75時計算發散說明邊坡的穩定系數在1.7到1.75之間。隨著強度折減系數的增加,邊坡的y方向最大位移隨之增大,且邊坡的等效塑性應變從邊坡底部移動至邊坡上部,且在邊坡即將發生破壞時即F=1.7時,這條等效塑性帶貫穿這個邊坡,且經過破腳。這也是邊坡即將破壞的重要標志。通過這個實例的計算說明ansys在能夠處理復雜的邊坡穩定性問題。為我們利用數值解法研究邊坡穩定性提供了一個重要途徑。

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