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用ANSYS分析边坡稳定性

高恭星

【摘要】传统方法分析边坡稳定性时,需要假设滑动面的形状;而用ANSYS分析

边坡的稳定性时,不需做任何假设,就能得到安全系数,还能直观地得出边坡破坏的类

型和形状.用ANSYS分析边坡的稳定性时一般采用强度折减法,ANSYS中常用准则

为DP准则,如果要采用其他近似的修正准则则需进行转化.该文在c和φ取不同值

时,用ANSYS(DP3)与用瑞典条分法和Janbu法分别计算得出不同的边坡稳定性

安全系数,分析c、φ值对边坡稳定性的影响.

【期刊名称】《重庆建筑》

【年(卷),期】2012(011)009

【总页数】4页(P80-83)

【关键词】边坡稳定性;有限元折减法;ANSYS;屈服准则

【作者】高恭星

【作者单位】重庆大学土木工程学院,重庆400030

【正文语种】中文

【中图分类】TU431

0引言

边坡的稳定性可以用安全系数K来表示。K1,边坡稳定;K=1,为临界状态;

K1,边坡失稳。

目前,在工程中计算边坡的稳定性的方法主要是建立在极限平衡理论的基础上如

Janbu法、瑞典条分法、Bishop法等。在计算安全系数时需要假设滑动面的形状。

而用有限元法分析,考虑材料的属性,应力应变的关系,满足力的平衡,不用做任

何假设,计算完成后不仅能得到比较准确的安全系数,而且还能得到破坏时的滑移

面,塑性应变区域、应力场、位移场等结果。用有限元法分析边坡,可以考虑复杂

土层介质,边坡内部的介质的应力应变,分析各种形状的边坡。在得出安全系数的

同时还可以清楚认识边坡滑移的类型,这对边坡加固工程具有指导性作用。

用有限元分析边坡的稳定性一般采用强度折减法。本文基于强度折减法理论,运用

ANSYS分析边坡的稳定性。

1有限元强度折减法的原理

有限元强度折减法的原理就是将岩土体的抗剪强度指标减小为c/K,tamφ/K,把

经计算出的c和φ代替原来的c和φ,重新代入有限元中进行计算,反复迭代。

当岩土体达到极限平衡时,有限元计算不收敛,边坡破坏。此时对应的折减系数K

为边坡的稳定安全系数[1]。

2边坡失稳判据

在有限元计算中,不断增大K值,降低坡体的稳定性,直到边坡破坏。判断边坡

是否失稳,主要有以下几种判据:(1)有限元计算是否收敛:在有限元迭代计算

中,当计算不收敛时,认为边坡破坏。(2)塑性区是否贯通:在有限元计算中不

断增大K值,可以得到边坡塑性应变的应力云图,当塑性区从坡底到坡顶贯通时,

认为边坡破坏。(3)位移突变:在分析中当边坡的滑动面和位移发生突变且无限

发展,认为边坡破坏[2]。

上述三种判据的(1)、(3)在有限元计算中不收敛,这两种判据是一致的,坡

体的塑性区贯通是边坡破坏的必要条件,但是并不一定会发生失稳,边坡的滑体出

现无限位移或突变位移,才是边坡破坏的标志。而此时有限元计算也不收敛。所以

在ANSYS分析边坡稳定性时判断边坡是否失稳应该以计算不收敛、坡体位移发生

突变且无限发展作为基本判据,并结合边坡的塑性区从坡底到坡顶是否贯通来考虑。

3屈服准则

分析时坡体的材料本构模型采用理想弹塑性模型。目前,ANSYS分析岩土工程主

要采用Drucker-Prager(简称DP)屈服准则,是摩尔-库伦准则的近似,通常称

为DP准则或广义密塞斯准则,是以密塞斯准则为基础,但是考虑了主应力对土体

的抗剪强度[3]。

DP屈服准则可表示为:

式中,{S}为偏应力为平均应力;[M]为一常系数矩阵。

材料常数β和屈服强度σy的表达式如下:

式中,φ为岩土体的内摩擦角;c为岩土体的黏聚力。

表1为通过其他近似的方式得到了不同准则,以修正ANSYS中的DP准则。在

ANSYS中只能使用DP准则,如果要使用其他修正准则,则需要利用DP准则的

β和σy与其他修正准则的β和σy相等这一条件,反算出φ和c才能把其他准则

运用到ANSYS中。

表1各准则参数计算准则与莫尔-库仑的关系βσyDP六边形外角点外接圆姨(3-

sinφ)2sinφ3姨(3-sinφ)6ccosφ3DP1六边形内角点外接圆

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