ANSYS边坡工程应用实例分析.docx
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ANSYS边坡工程应用实例分析
第4章ANSYS边坡工程应用实例分析
本章重点
边坡工程概述
ANSYS边坡稳定性分析步骤
ANSYS边坡稳定性实例分析
本章典型效果图
边坡工程概述
边坡工程
边坡指地壳表部一切具有侧向临空面的地质体，是坡面、坡顶及其下部一定深度坡体的总称。
坡面与坡顶面下部至坡脚高程的岩体称为坡体。
倾斜的地面称为斜坡，铁路、公路建筑施工中，所形成的路堤斜坡称为路堤边坡；开挖路堑所形成的斜坡称为路堑边坡；水利、市政或露天煤矿等工程开挖施工所形成的斜坡也称为边坡；这些对应工程就称为边坡工程
对边坡工程进行地质分类时，考虑了下述各点。
首先，按其物质组成，即按组成边坡的地层和岩性，可以分为岩质边坡和土质边坡（后者包括黄土边坡、砂土边坡、土石混合边坡）。
地层和岩性是决定边坡工程地质特征的基本因素之一，也是研究区域性边坡稳定问题的主要依据.其次，再按边坡的结构状况进行分类。
因为在岩性相同的条件下，坡体结构是决定边坡稳定状况的主要因素，它直接关系到边坡稳定性的评价和处理方法。
最后，如果边坡已经变形，再按其主要变形形式进行划分。
即边坡类属的称谓顺序是:
岩性—结构—变形。
边坡工程对国民经济建设有重要的影响：
在铁路、公路与水利建设中，边坡修建是不可避免的，边坡的稳定性严重影响到铁路、公路与水利工程的施工安全、运营安全以及建设成本。
在路堤施工中，在路堤高度一定条件下，坡角越大，路基所占面积就越小，反之越大。
在山区，坡角越大，则路堤所需填方量越少。
因此，很有必要对边坡稳定性进行分析，
边坡变形破坏基本原理
应力分布状态
边坡从其形成开始，就处于各种应力作用（自重应力、构造应力、热应力等）之下。
在边坡的发展变化过程中，由于边坡形态和结构的不断改变以及自然和人为营力的作用，边坡的应力状态也随之调整改变。
根据资料及有限元法计算，应力主要发生以下变化：
（1）岩体中的主应力迹线发生明显偏转，边坡坡面附近最大主应力方向和坡而平行，而最小主应力方向则与坡面近于垂直，并开始出现水平方向的剪应力，其总趋势是由内向外增多，愈近坡脚愈高，向坡内逐渐恢复到原始应力状态。
（2）在坡脚逐渐形成明显的应力集中带。
边坡愈陡，应力集中愈严重，最大最小主应力的差值也愈大。
此外，在边坡下边分别形成切向应力减弱带和水平应力紧缩带，而在靠近边坡的表部所测得的应力值均大于按上覆岩体重量计算的数值。
（3）边坡坡面岩体由于侧向应力近于零，实际上变为两向受力。
在较陡边坡的坡面和顶面，出现拉应力，形成拉应力带.拉应力带的分布位置与边坡的形状和坡面的角度有关。
边坡应力的调整和拉应力带的出现，是边坡变形破坏最初始的征兆。
例如，由于坡脚应力的集中，常是坡脚出现挤压破碎带的原因；由于坡面及坡顶出现拉应力带，常是表层岩体松动变形的原因。
边坡岩体变形破坏基本形式
边坡在复杂的内外地质营力作用下形成，又在各种因素作用下变化发展。
所有边坡都在不断变形过程中，通过变形逐步发展至破坏。
其基本变形破坏形式主要有:
松弛张裂、滑动、崩塌、倾倒、蠕动和流动。
影响边坡稳定性的因案
影响边坡稳定性的主要因素有:
（1）边坡材料力学特性参数：
包括弹性模量、泊松比、摩擦角、粘结力、容重、抗剪强度等参数。
（2）边坡的几何尺寸参数：
包括边坡高度、坡面角和边坡边界尺寸以及坡面后方坡体的几何形状，即坡体的不连续面与开挖面的坡度及方向之间的几何关系，它将确定坡体的各个部分是否滑动或塌落。
（3）边坡外部荷载：
包括地震力、重力场、渗流场、地质构造地应力等。
边坡稳定性的分析方法
分析边坡稳定问题，基本上可以分为两种方法：
极限平衡方法和数值分析方法。
极限平衡方法
极限平衡方法的基本思想是:
以摩尔一库仑抗剪强度理论为基础，将滑坡体划分成若干垂直条块，建立作用在垂直条块上的力的平衡方程式，求解安全系数。
这种计算分析方法遵循下列基本假定:
（1）遵循库仑定律或由此引伸的准则。
（2）将滑体作为均质刚性体考虑，认为滑体本身不变形，且可以传递应力。
因此只研究滑动面上的受力大小，不研究滑体及滑床内部的应力状态。
（3）将滑体的边界条件大大简化。
如将复杂的滑体型态简化为简单的几何型态；将滑面简化为圆弧面、平面或折面；一般将立体问题简化为平面问题，取沿滑动方向的代表性剖面，以表征滑体的基本型态；将均布力简化为集中力，有时还将力的作用点简化为通过滑体重心。
极限平衡方法包括以下几种方法：
（1）瑞典圆弧滑动法
（2）简化逼肖普法
（3）简布普通条分法
（4）摩根斯坦-普赖斯法
（5）不平衡推力传递法
以上各种方法都是假定土体是理想塑性材料，把土条作为一个刚体，按照极限平衡的原则进行力的分析，最大的不同之处在于对相邻上条之间的内力作何种假定，也就是如何增加已知条件使超静定问题变成静定问题。
这些假定的物理意义不一样，所能满足的平衡条件也不相同，计算步骤有繁有简，使用时必须注意他们的适用场合。
极限平衡方法关键是对滑体的休型和滑面的形态进行分析、正确选用滑面的计算参数以及正确引用滑体的荷载条件等。
因为极限平衡方法完全不考虑土体本身的应力-应变关系，不能真实地反映边坡失稳时的应力场和位移场，因此而受到质疑。
数值分析方法
数值数值分析方法考虑土体应力应变关系，克服了极限平衡方法完全不考虑土体本身的应力-应变关系缺点，为边坡稳定分析提供了较为正确和深入的概念。
边坡稳定性数值分析方法主要包含以下几种方法：
（1）有限元法
有限单元法是数值模拟方法在边坡稳定评价中应用最早的方法，也是目前最广泛使用的一种数值方法，可以用来求解弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题。
目前用有限元法求解边坡稳定主要有两种方法。
a.有限元滑面搜索法:
将边坡体离散为有限单元格，按照施加的荷载及边界条件进行有限元计算可得到每个结点的应力张量。
然后假定一个滑动面，用有限元数据给出滑动面任一点的向正应力和剪应力，根据摩尔一库仑准则可得该点的抗滑力，由此即能求得滑动面上每个结点的下滑力与抗滑力，再对滑动面上下滑力与抗滑力进行积分，就可以求得每一个滑动面的安全系数。
b.有限元强度折减法:
首先选取初始折减系数，将岩土体强度参数进行折减，将折减后的参数作为输入，进行有限元计算，若程序收敛，则岩土体仍处于稳定状态，然后再增加折减系数，直到程序恰好不收敛，此时的折减系数即为稳定或安全系数。
（2）自适应有限元法
自20世纪70年代开始自适应理论被引入有限元计算，主导思想是减少前处理工作量和实现网格离散的客观控制。
现已基本建立了一般弹性力学、流体动力学、渗流分析等领域的平面自适应分析系统，能使计算较为快速和准确。
（3）离散单元法
离散单元法的突出功能是它在反映岩块之间接触面的滑移、分离与倾翻等大位移的同时，又能计算岩块内部的变形与应力分布。
因此，任何一种岩体材料都可引入到模型中，例如弹性、粘弹性或断裂等均可考虑，故该法对块状结构、层状破裂或一般破裂结构岩体边坡比较合适。
并且，它利用显式时间差分法（动态差分法）求解动力平衡方程，求解非线性大位移与动力问题比较容易。
离散元法在模拟过程中考虑了边坡失稳破坏的动态过程，允许岩土体存在滑动、平移、转动和岩体的断裂及松散等复杂过程，具有宏观上的不连续性和单个岩块休运动的随机性，可以较真实、动态地模拟边坡在形成和开挖过程中应力、位移和状态的变化，预测边坡的稳定性，因此在岩质高边坡稳定性的研究中得到广泛的应用。
（4）拉格朗日元法
为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，人们根据有限差分法的原理，提出了FLAC数值分析方法。
该方法较有限元法能更好地考虑岩土体的不连续和大变形特性，求解速度较快。
缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。
（5）界面元法
界面元法是一种基于累积单元变形于界面的界面应力元法模型，建立适用于分析不连续、非均匀、各向异性和各类非线性问题、场问题，以及能够完全模拟各类锚杆复杂空间布局和开挖扰动的方法。
有限元法用于边坡稳定性分析优点
有限元法考虑了介质的变形特征，真实地反应了边坡的受力状态。
它可以模拟连续介质，也可以模拟不连续介质；能考虑边坡沿软弱结构面的破坏，也能分析边坡的整体稳定破坏。
有限元法可以模拟边坡的圆弧滑动破坏和非圆弧滑动破坏。
同时它还能适应各种边界条件和不规则几何形状，具有很广泛的适用性。
有限元法应用于边坡工程，有其独特的优越性。
与一般解析方法相比，有限元法有以下优点：
（1）它考虑了岩体的应力-应变关系，求出每一单元的应力与变形，反映了岩体真实工作状态。
（2）与极限平衡法相比，不需要进行条间力的简化，岩体自始至终处于平衡状态。
（3）不需要像极限平衡法一样事先假定边坡的滑动面，边坡的变形特性、塑性区形成都根据实际应力应变状态“自然”形成。
（4）若岩体的初始应力己知，可以模拟有构造应力边坡的受力状态。
（5）不但能像极限平衡法一样模拟边坡的整体破坏，还能模拟边坡的局部破坏，把边坡的整体破坏和局部破坏纳入统一的体系。
（6）可以模拟边坡的开挖过程，描述和反应岩体中存在的节理裂隙、断层等构造面。
鉴于有限元法具有如此多优点，本章借助通用有限元软件ANSYS来实现对边坡稳定性分析，用具体的边坡工程实例详细介绍应用ANSYS软件分析边坡稳定性问题。
ANSYS边坡稳定性分析步骤
ANSYS边坡稳定性分析一般分以下几个步骤：
1、创建物理环境
2、建立模型，划分网格，对模型的不同区域赋予特性
3、加边界条件和载荷
4、求解
5、后处理（查看计算结果）
创建物理环境
在定义边坡稳定性分析问题的物理环境时，进入ANSYS前处理器，建立这个边坡稳定性分析的数学仿真模型。
按照以下几个步骤来建立物理环境：
1、设置GUT菜单过滤
如果你希望通过GUI路径来运行ANSYS，当ANSYS被激活后第一件要做的事情就是选择菜单路径：
MainMenu>Preferences，执行上述命令后，弹出一个如图4-1所示的对话框出现后，选择Structural。
这样ANSYS会根据你所选择的参数来对GUI图形界面进行过滤，选择Structural以便在进行边坡稳定性分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。
2、定义分析标题（／TITLE）
在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“SlopestabilityAnalysis”，以便能够从标题上与其他相似物理几何模型区别。
用下列方法定义分析标题。
命令：
／TITLE
GUI：
UtilityMenu>File>ChangeTitle
3、说明单元类型及其选项（KEYOPT选项）
与ANSYS的其他分析一样，也要进行相应的单元选择。
ANSYS软件提供了100种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料，各种不同的单元组合在一起，成为具体的物理问题的抽象模型。
例如，不同材料属性的边坡土体用PLANE82单元来模拟。
大多数单元类型都有关键选项（KEYOPTS），这些选项用以修正单元特性。
例如，PLANE82有如下KEYOPTS：
KEYOPT
（2）包含或抑制过大位移设置
KEYOPT（3）平面应力、轴对称、平面应变或考虑厚度的平面应力设置
KEYOPT（9）用户子程序初始应力设置
设置单元以及其关键选项的方式如下：
命令：
ET
KEYOPT
GUI：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete
图4-1GUI图形界面过滤
4定义单位
结构分析只有时间单位、长度单位和质量单位三个基本单位，则所有输入的数据都应当是这三个单位组成的表达方式。
如标准国际单位制下，时间是秒（s），长度是米（m），质量是千克（kg），则导出力的单位是kgm/s2（相当于牛顿N），材料的弹性模量单位是kg/ms2（相当于帕Pa）。
命令：
/UNITS
5、定义材料属性
大多数单元类型在进行程序分析时都需要指定材料特性，ANSYS程序可方便地定义各种材料的特性，如结构材料属性参数、热性能参数、流体性能参数和电磁性能参数等。
ANSYS程序可定义的材料特性有以下三种：
（1）线性或非线性。
（2）各向同性、正交异性或非弹性。
（3）随温度变化或不随温度变化。
因为分析的边坡模型采用理想弹塑性模型（D-P模型），因此边坡稳定性分析中需要定义边坡中不同土体的材料属性：
容重、弹性模量、泊松比、凝聚力以及摩擦角。
命令：
MP
GUI：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels
或MainMenu>Solution>LoadStepOpts>Other>ChangeMatProps>MaterialModels
进行边坡稳定性分析计算时，采用强度折减法来实现。
首先选取初始折减系数F，然后对边坡土体材料强度系数进行折减，折减后凝聚力以及摩擦角分别见式4-1和式4-2。
（4-1）
（4-2）
和
为边坡土体的初始凝聚力和摩擦角。
对
和
进行折减，输入边坡模型计算，若收敛，则此时边坡是稳定的；继续增大折减系数F，直到程序恰好不收敛，此时的折减系数即为稳定或安全系数。
建立模型和划分网格
创建好物理环境，就可以建立模型。
在进行边坡稳定性分析时，需要建立模拟边坡土体的PLANE82单元。
在建立好的模型各个区域内指定特性（单元类型、选项、实常数和材料性质等）以后，就可以划分有限元网格了。
通过GUI为模型中的各区赋予特性：
1、选择MainMenu>Preprocessor>Meshing>MeshAttributes>PickedAreas
2、点击模型中要选定的区域。
3、在对话框中为所选定的区域说明材料号、实常数号、单元类型号和单元坐标系号。
4、重复以上三个步骤，直至处理完所有区域。
通过命令为模型中的各区赋予特性：
ASEL（选择模型区域）
MAT（说明材料号）
REAL（说明实常数组号）
TYPE（指定单元类型号）
ESYS（说明单元坐标系号）
施加约束和荷载
在施加边界条件和荷载时，既可以给实体模型（关键点、线、面）也可以给有限元模型（节点和单元）施加边界条件和荷载。
在求解时，ANSYS程序会自动将加到实体模型上的边界条件和载荷转递到有限元模型上。
边坡稳定性分析中，主要是给边坡两侧和底部施加自由度约束。
命令：
D
施加荷载包括自重荷载以及边坡开挖荷载。
求解
接着就可以进行求解，ANSYS程序根据现有选项的设置，从数据库获取模型和载荷信息并进行计算求解，将结果数据写入到结果文件和数据库中。
命令：
SOLVE
GUI：
MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS
后处理
后处理的目的是以图和表的形式描述计算结果。
对于边坡稳定性分析中，进入后处理器后，查看边坡变形图和节点的位移、应力和应变。
随着强度折减系数的增大，边坡的水平位移增大，塑性应变急剧发展，塑性区发展形成一个贯通区域时，计算不收敛，认为边坡发生了破坏。
通过研究位移、应变和塑性区域，来综合判断边坡的稳定性。
命令：
／POST1
GUI：
MainMenu>GeneralPostproc
补充说明
边坡的失稳破坏定义有很多种，对于采用弹塑性计算模型的边坡，需要综合考虑以下因素:
（1）把有限元计算的收敛与否作为一个重要的衡量指标，边坡处于稳定状态，计算收敛，边坡破坏时，边坡不收敛。
（2）边坡失稳的同时还表现出位移急剧增加。
（3）边坡失稳总是伴随着塑性变形的明显增加和塑性区的发展，塑性区的发展状况反映了边坡是否处于稳定状态。
此外，采用弹塑性有限元法进行计算，它具有独特的优势：
（1）弹塑性分析假定岩体为弹塑性材料，岩体在受力初期处于弹性状态，达到一定的屈服准则后，处于塑性状态。
采用弹塑性模型更能反应岩体的实际工作状态。
（2）岩体所承受的荷载超过材料强度时，就会出现明显的滑移破坏面。
因此，弹塑性计算不需要假定破坏面的形状和位置，破坏面根据剪应力强度理论自动形成。
当整个边坡破坏时，就会出现明显的塑性区。
（3）能综合考虑边坡的局部失稳和整体失稳破坏。
ANSYS边坡稳定性实例分析
实例描述
图4-2边坡模型
边坡实例选取国内某矿，该边坡考虑弹性和塑性两种材料，边坡尺寸如图4-2所示。
分析目的是对该边坡进行稳定性计算分析，以判断其稳定性和计算出安全系数，该边坡围岩材料属性见表4-1。
表4-1边坡模型围岩参数
类别
弹性模量/Gpa
泊松比
容重/
内聚力
/Mpa
摩擦角
（。
）
围岩2（弹塑性）
30
2500
42
围岩1（弹性）
31
2700
-
-
对于像边坡这样纵向很长的实体，计算模型可以简化为平面应变问题。
假定边坡所承受的外力不随Z轴变化，位移和应变都发生在自身平面内。
对于边坡变形和稳定性分析，这种平面假设是合理的。
实测经验表明，边坡的影响范围在2倍坡高范围，因此本文计算区域为边坡体横向延伸2倍坡高，纵向延伸3倍坡高。
两侧边界水平位移为零，下侧边界竖向位移为零。
弹性有限元的计算模型如图4-2所示。
采用双层模型，模型上部为理想弹塑性材料，下部为弹性材料，左右边界水平位移为零，下边界竖向位移为零。
双层模型考虑土体的弹塑性变形，其塑性区的发展，应力的分布更符合实际情况。
考虑双层模型，塑性区下部的单元可以产生一定的垂直变形和水平变形，基本消除了由于边界效应在边坡下部出现的塑性区，更好地模拟了边坡的变形和塑性区的发展。
GUI操作方法
创建物理环境
1）在【开始】菜单中依次选取【所有程序】/【】/【ANSYSProductLauncher】，得到“ProductLauncher”对话框。
2）选中【FileManagement】，在“WorkingDirectory”栏输入工作目录“D:
\ansys\example4-1”，在“JobName”栏输入文件名“Slope”。
3）单击“RUN”按钮，进入的GUI操作界面。
4）过滤图形界面：
MainMenu>Preferences，弹出“PreferencesforGUIFiltering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。
5）定义工作标题：
UtilityMenu>File>ChangeTitle，在弹出的对话框中输入“SlopestabilityAnalysis”，单击“OK”，如图4-3。
图4-3定义工作标题
6）定义单元类型：
a.定义PLANE82单元：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，单击“Add”按钮。
弹出如图4-4所示对话框。
在该对话框左面滚动栏中选择“Solid”，在右边的滚动栏中选择“Quad8node82”，单击“Apply”，就定义了“PLANE82”单元。
图4-4定义PLANE82单元对话框
b.设定PLANE82单元选项：
MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出一个单元类型对话框，选中“Type2PLANE82”，单击“Options”按钮，弹出一个“PLANE82elementTypeoptions”对话框，如图4-5所示。
在“ElementbehaviorK3”栏后面的下拉菜单中选取“Planestrain”，其它栏后面的下拉菜单采用ANSYS默认设置就可以，单击“OK”按钮。
图4-5PLANE82单元库类型选项对话框
通过设置PLANE82单元选项“K3”为“Planestrain”来设定本实例分析采取平面应变模型进行分析。
因为边坡是纵向很长的实体，故计算模型可以简化为平面应变问题。
8节点PLANE82单元每个节点有UX和UY两个自由度，比4节点PLANE42单元具有更高的精确性，对不规则网格适应性更强。
7）定义材料属性
a.定义边坡围岩1材料属性：
MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，如图4-6所示。
图4-6定义材料本构模型对话框
在图4-6中右边栏中连续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，又弹出如图4-7所示“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“3E10”，在“PRXY”后面的输入栏输入“”，单击“OK”。
再在选中“Density”并双击，弹出如图4-8所示“DensityforMaterialNumber1”对话框，在“DENS”后面的栏中输入边坡土体材料的密度“2500”，单击“OK”按钮。
再次在图4-6中右边的栏中连续双击“Structural>Nonlinear>Inelastic>Non-metalplasticity>drucker-prager”后，又弹出一个如图4-9所示对话框。
在“Cohesion”栏添入边坡围岩材料1的内聚力“”，在“FricAngle”栏添入边坡内摩擦角“42”，单击“OK”按钮。
图4-7线弹性材料模型对话框图4-8材料密度输入对话框
图4-9定义边坡材料1DP模型对话框
b.定义边坡围岩2材料属性：
在图4-6对话框中，单击“Material>NewModel…”，弹出一个“DefineMaterialID”对话框，在“ID”栏后面输入材料编号“2”，单击“OK”按钮。
弹出一个定义材料模型对话框对话框，选中“MaterialModelNumber2”，和定义边坡围岩1材料一样，在右边的栏中连续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，又弹出一个“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber2”对话框，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“”，在“PRXY”后面的输入栏输入“”，单击“OK”。
再选中“Density”并双击，弹出一个“DensityforMaterialNumber2”对话框，在“DENS”后面的栏中输入隧道围岩材料的密度“2700”，再单击“OK”按钮，弹出一个定义材料模型对话框。
c.复制边坡围岩1材料性质：
在图4-6对话框中，用鼠标点击“Edit>copy….”，弹出一个“CopyMaterialModel”对话框，如图4-10所示。
在“fromMaterialnumber”栏后面的下拉菜单中选取“1”，在“TOMaterialnumber”栏后面输入“3”，单击“Apply”按钮。
又弹出如土4-10所示对话框，然后依次在“TOMaterialnumber”栏后面输入“4”、“5”、“6”、“7”、“8”“9”、“10”，“11”、“12”、“13”，每输入一个数，就单击“Apply”按钮一次。
图4-10复制本构模型对话框
最后得到10个复制围岩1的边坡材料本构模型，如图4-11所示。
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