不同屈服条件下边坡应力变形规律的有限元分析

摘要

边坡稳定性分析是岩土力学与工程中最重要的理论与实践课题之一,也是经典土力学最早试图解决而至今仍未圆满解决的课题。近十年来，我国新建了许多水利水电设施、矿山、港口、高速公路、铁路等工程，它们在建设中及建成后，形成了大量的边坡稳定性问题，特别是西部多山地区。公路、铁路沿线存在大量边坡，其稳定与否，对整个工程的可靠性、安全度以及社会经济效益均有重大影响。然而，目前国内外对于不同屈服条件下的边坡稳定性分析的研究报道和相关文献还为数不多。因此，进一步深入开展不同屈服条件下边坡稳定性分析的研究，具有重要的理论意义和工程应用价值。
　　 边坡的破坏往往伴随着很大的位移和塑性应变，因此，采用传统的小变形有限元方法计算无疑误差较大。在平面应变条件下，基于弹塑性大变形理论，用力控制方法来控制其收敛性，定性分析了单元类型、网格划分、剪胀角和弹性模量等对于边坡应力变形规律的影响，同时对比了大、小变形下边坡塑性应变差异。大变形理论能够处理几何非线性和材料非线性问题，这样，既考虑了土体的材料非线性又考虑丁其几何非线性。因而，采用非线性大变形有限元分析土坡是很有必要的。本论文基于大型商业化有限元软件ANSYS进行边坡应力变形分布规律的数值模拟，一方面是加深对边坡的渐近破坏机理的认识，另一方面是为了构造给定滑动面上的正应力。主要完成的内容包括：计算模型的建立；本构方程的选择：屈服准则、流动法则、硬化定理的选择；M—C屈服准则的等效及在ANSYS中的实现。在此基础上，基于大型商业化有限元软件ANSYS，根据“平面上D—P屈服准则与M—C屈服准则4种不同拟合关系，通过土体强度参数的转换，在ANSYS中实现了4种不同屈服准则。在此4种不同屈服条件下，模拟得出了土坡的各种应力分布、应变和位移及其分布图，为课题的下一步开展提供了基础信息。同时对影响其应力变形的因素(如单元类型、边界条件、边界范围、网格划分、剪胀角、弹性模量等)进行了定性的考核，得出了一些有益的结论。本文对ANSYS软件做了简单的介绍，并对计算所选的材料模型做了说明，重点模拟了一个给定的边坡对其应力变形规律进行分析具体做法是在平面应变条件下。对一均质土坡，在自重条件作用下，采用大、小变形有限元在关联和非关联流动法则下，分析了边坡的应力、应变和变形。同时对比了在四种不同组合时，应力、应变的分布，塑性区范围的大小。最后定性分析了单元类型、网格划分、剪胀角和弹性模量对边坡应力变形规律的影响，并对比了大、小变形下边坡塑性应变差异。研究表明，对于岩质边坡以及硬质土坡，采用小变形有限元分析理论能够较好反映边坡应力变形规律。而对于软土，应用大变形有限元分析理论所得结果与实际工程的土坡受力及变形情况较为吻合。

目录

1 绪论

2 岩土弹塑性模型及M-C准则的等效

3 边坡应力变分析的非线性有限元理论

4 边坡应力变形规律的ANSYS模拟

5 总结与展望

致谢

参考文献

附录

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