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上机报告
第一部分:
FLAC3D数值模拟上机报告
计算模型分别如图1、2、3所示,边坡倾角分别为30°、45°、60°,岩土体参数为:
容重r=2500kg/m3,弹性模量E=1×108Pa,泊松比μ=0.3,
抗拉强度σt=0.8×106Pa,内聚力C=4.2×104Pa,摩擦角φ=17°
试用FLAC3D软件建立单位厚度的计算模型,并进行网格剖分,参数赋值,设定合理的边界条件,利用FLAC3D软件分别计算不同坡角情况下边坡的稳定性,并进行结果分析。
附换算公式:
1kN/m3=100kg/m3
剪切弹性模量:
体积弹性模量:
一、坡度为30°的情况
图1倾角为30°的边坡(单位:
m)
算例分析:
命令流:
new
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;建立网格模型
genzonebrickp0000p110000p2020p30040size50110
genzonebrickp040040p1100040p240240p374.64060p4100240&
p574.64260p6100060p7100260size30110
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;定义本构模型
modelmohr
propdensity2500.0bulk8.3E7shear3.8E7coh42000.0tens0.8E6friction17
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设置边界条件
fixxyzrangez-0.10.1
fixxrangex99.9100.1
fixxrangex-0.10.1
fixy
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设置重力加速度
setgravity=10.0
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设定初始条件
inisxx0.0syy0.0szz0.0sxy0.0sxz0.0szz0.0
inixvel0.0yvel0.0zvel0.0
inixdis0.0ydis0.0zdis0.0
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;安全系数求解
defcalfos
minf=0.1
maxf=2.2
loopwhilemaxf-minf>0.01
fs=(maxf+minf)/2.0
refric=atan(0.30/fs)*180/3.14
recoh=42000/fs
command
profricrefriccohrecoh
setmechratio1e-5
solvestep5000
printfs
end_command
aa=mech_ratio
ifaa<1e-5then
minf=fs
else
maxf=fs
end_if
end_loop
end
calfos
图1网格剖分图
图2最小主应力云图
图3最大主应力云图
图4剪应变增量云图
图5总位移矢量图
安全系数:
因此,最终计算边坡稳定性系数为1.453516
二、坡度为45°的情况
图2倾角为45°的边坡(单位:
m)
算例分析:
命令流:
new
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;建立网格模型
genzonebrickp0000p110000p2020p30040size50110
genzonebrickp040040p1100040p240240p360060p4100240&
p560260p6100060p7100260size30110
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;定义本构模型
modelmohr
propdensity2500.0bulk8.3E7shear3.8E7coh42000.0tens0.8E6friction17
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设置边界条件
fixxyzrangez-0.10.1
fixxrangex99.9100.1
fixxrangex-0.10.1
fixy
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设置重力加速度
setgravity=10.0
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设定初始条件
inisxx0.0syy0.0szz0.0sxy0.0sxz0.0szz0.0
inixvel0.0yvel0.0zvel0.0
inixdis0.0ydis0.0zdis0.0
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;安全系数求解
defcalfos
minf=0.1
maxf=2.2
loopwhilemaxf-minf>0.01
fs=(maxf+minf)/2.0
refric=atan(0.30/fs)*180/3.14
recoh=42000/fs
command
profricrefriccohrecoh
setmechratio1e-5
solvestep5000
printfs
end_command
aa=mech_ratio
ifaa<1e-5then
minf=fs
else
maxf=fs
end_if
end_loop
end
calfos
图1网格剖分图
图2最小主应力云图
图3最大主应力云图
图4剪应变增量云图
图5总位移矢量图
安全系数:
因此,最终边坡的稳定性系数为1.10894
三、坡度为60°的情况
图3倾角为60°的边坡(单位:
m)
算例分析:
命令流:
new
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;建立网格模型
genzonebrickp0000p110000p2020p30040size50110
genzonebrickp040040p1100040p240240p351.55060p4100240&
p551.55260p6100060p7100260size30110
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;定义本构模型
modelmohr
propdensity2500.0bulk8.3E7shear3.8E7coh42000.0tens0.8E6friction17
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设置边界条件
fixxyzrangez-0.10.1
fixxrangex99.9100.1
fixxrangex-0.10.1
fixy
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设置重力加速度
setgravity=10.0
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设定初始条件
inisxx0.0syy0.0szz0.0sxy0.0sxz0.0szz0.0
inixvel0.0yvel0.0zvel0.0
inixdis0.0ydis0.0zdis0.0
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;安全系数求解
defcalfos
minf=0.1
maxf=2.2
loopwhilemaxf-minf>0.01
fs=(maxf+minf)/2.0
refric=atan(0.30/fs)*180/3.14
recoh=42000/fs
command
profricrefriccohrecoh
setmechratio1e-5
solvestep5000
printfs
end_command
aa=mech_ratio
ifaa<1e-5then
minf=fs
else
maxf=fs
end_if
end_loop
end
calfos
图1网格剖分图
图2最小主应力云图
图3最大主应力云图
图4剪应变增量图
图5总位移矢量图
安全系数:
因此,最终边坡的稳定性系数为0.8957
分析:
根据三种角度的边坡的位移矢量图,当坡角为30°时,边坡的最大位移发生在边坡后壁某一深度处,这主要是重力梯度的作用结果,在坡脚处的位移很小,可见边坡的角度很小时,边坡基本不会发生沿坡面倾向方向的运动;由位移等值线图可见,边坡的最大位移都发生在坡脚处,且坡角越大的边坡,坡脚处的最终位移越大。
通过边坡剪切应变增量和速度矢量图,可以明显看到除30°的边坡外,45°和60°的边坡都存在贯通的塑性区域,即潜在滑动面,速度矢量图有利的佐证了质疑判断,因滑动面外侧区域各网格点的速度明显大于其他区域,说明这一区域出现明显的滑动。
由三种角度边坡的安全系数可见:
坡脚越大,边坡稳定性越差,当坡脚达到某一角度时,边坡的稳定性将小于1,即可能发生破坏。
四、坡度为60°的边坡开挖情况
算例分析:
命令流:
new
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;建立网格模型
genzonebrickp0000p110000p2020p30040size50110
genzonebrickp040040p1100040p240240p350050&
p4100240p550250p6100050p7100250size30110
genzonebrickp053050p1100050p253250p363060&
p4100250p563260p6100060p7100260size15110
genzonebrickp045.77050p153050p245.77250p351.55060&
p453250p551.55260p663060p763260size15110groupexc1
genzonebrickp040040p150050p240240p345.77050&
p450250p545.77250&size30110groupexc2
groupsection2rangey02groupexc2
groupsection1rangey02groupexc1
attachface
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;定义本构模型
modelas
prodensity2500bulk0.83e8she0.38e8
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设置边界条件
fixxyzrangez-.1.1
fixxrangex99.9100.1
fixxrangex-0.10.1
fixy
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设置重力加速度
setgravity00-10.0
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;设定初始条件
inixdisp0ydisp0zdisp0
inixvel0yvel0zvel0
;>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>
;开挖
modmohr
prodensity2500bulk0.83e8she0.38e8fric17coh4.2e4ten0.8e6dila20
modnullrangegroupsection1
modnullrangegroupsection2
;安全系数求解
defcalfos
minf=0.1
maxf=2.2
loopwhilemaxf-minf>0.01
fs=(maxf+minf)/2.0
refric=atan(0.30/fs)*180/3.14
recoh=42000/fs
command
profricrefriccohrecoh
setmechratio1e-5
solvestep5000
printfs
end_command
aa=mech_ratio
ifaa<1e-5then
minf=fs
else
maxf=fs
end_if
end_loop
end
calfos
开挖前:
图1网格剖分图
图2速度矢量
图3速度等值线图
图4总位移等值线图
图5水平应力等值线图
图6竖直应力等值线图
开挖后:
图7开挖后网格剖分图
图8速度矢量图
图9速度等值线图
图10总位移等值线图
图11水平应力等值线图
图12竖直应力等值线图
最终计算边坡的稳定性系数为ks=1.48828
分析:
用强度折减法对边坡开挖前后进行稳定性计算,得到开完前后安全系数Ks是1.48828,说明对坡肩的开挖,有利于边坡的稳定性。
FLAC3D对于边坡开挖工程的施工具有十分重要的指导意义。
从这个开挖实例中可以看出,FLAC3D在边坡工程中具有很好的实用性,它可以动态模拟边坡开挖的过程,动态监测边坡开挖过程中坡体产生的变形,从而为我们是否应该采取支护措施以及怎样支护提供依据。
第二部分:
数值模拟工程实例
加牙烽燧遗址锚固的数值模拟研究
1、FLAC3D在土遗址保护中的应用
FLAC3D是美国ITASCA国际咨询与软件开发公司开发的三维有限差分数值模拟软件,被广泛运用于边坡稳定性评价、支护设计及评价、地下硐室、施工设计、河谷演化进程再现、拱坝稳定性分析、隧道工程、矿山工程、断层结构的影响和加固、岩土体材料变形局部化剪切带的演化模拟研究等领域[1,2]。
近年来,FLAC3D在土遗址保护中的应用越来越广泛。
如王旭东[3]等人利用FLAC3D对山丹明长城进行了掏蚀墙体的动力时程分析,得出在强震作用下,墙体掏蚀的部位比较危险,会出现失稳和局部坍塌;崔凯[4,5]等人利用FLAC3D对交河故城中的高陡层状土质边坡的风蚀失稳过程及其机理进行了模拟研究,指出差异风蚀作用在土层中形成空腔后,外挑块体的失稳机制利用由弹塑性材料组成的悬臂梁断裂机制进行表述最为贴切;程佳[6]对交河故城崖体在自重应力和卸荷裂隙两种情况下进行了对比研究,表明崖体地层中的沙层和松散粘土层是发生崩塌破坏的关键层,一般都会发生应力应变集中;张宇翔[7]同样利用FLAC3D进行了锚杆拉拔试验数值模拟,指出锚杆张拉力会在锚头周边土体中形成压缩区,且锚头位置是土体的最大压应力区,并得出了随锚杆深度增加压应力减小等一系列结论,还对交河故城崖体的锚杆锚固进行研究,并进行了锚杆的设计参数优化;柴新军[9]等人结合工程实际,对土钉的长度、倾斜角和间隔进行数值模拟,评价了不同工况的对受拉裂缝的锚固效果,并推荐了补强设计方案;何满潮[10-12]等人利用FLAC3D对布达拉宫西印经院地基和高句丽将军坟进行数值模拟,并进行了动力响应分析;张登雨[13]等人对临近古遗址的地铁建设进行了数值模拟;而孙博[14]等人针对云岗石窟进行动力响应分析,结果表明,石窟在地震力作用下,有向外倾倒和塌落的趋势。
由此可见,数值模拟在土遗址保护中的应用从科学试验研究到指导生产设计再到施工监测,范围甚为广泛,且极大减小了对土遗址本体的扰动和破坏,这与文物保护勘察设计中不破坏文物的原则和优先选用无损检测的原则是协调统一的。
2、模型及参数
2.1计算模型介绍
计算模型选取加牙烽燧遗址,为了更加科学合理地进行锚固参数的优化,对其进行了如下简化和假设:
(1)将实际尺寸进行简化,以便于模型的建立(图2-1);
(2)加牙烽燧遗址为各向同性的均质土体;
(3)选取加牙烽燧遗址东西立面的2号裂隙为研究对象,假设其他几条裂隙处为完全闭合状态,与遗址体融为一体;
(4)假设裂隙为贯通的三棱柱,而非实际不规则的三维形状;
(5)假设裂隙填充物的粘聚力为零;
(6)假设遗址体表面均为平面,将各种曲面简化成平面;
(7)假设模型遵守莫尔-库伦准则;
(8)假设锚杆系统破坏发生在杆件与浆体、浆体与土体之间。
图2-1模型尺寸图
基于以上简化和假设,首先在AutoCAD中建立模型剖面图,并输出相关节点的坐标;其次,利用ANSYS建立模型并分组;再利用ANSYStoFLAG3D插件进行模型转化并导入FLAC3D,最后得出如图2-2所示的模型,该模型拥有30114个节点,30600个单元,分为遗址地基、遗址和裂隙3组。
锚杆系统用FLAC3D中的Cable单元进行模拟。
图2-2模型示意图
2.2计算参数选取
土体的模拟参数选取室内试验的实测值,对裂隙部分进行了一定折减,具体参数见表2-1;锚杆采用全长粘结锚杆,相关参数参照张宇翔等人在交河故城现场拉拔试验的测试结果,见表2-2。
表2-1加牙烽燧遗址土体物理力学参数表
表2-2锚杆相关参数表
2.3锚固机理及描杆受力特性模拟分析
2.3.1锚固机理分析
全长粘结锚杆由描固材料和杆体与遗址体间的填充浆液两部分组成,当加固体相对于稳定体产生位移时,通过遗址体-浆体-杆件三个界面的相互作用,使得危险体达到稳定[22]。
在FLAC3D中,锚杆系统由杆件和水泥砂浆组成的Cable单元进行模拟,其主要作用是借助锚杆周围灌浆材料沿其长度方向提供的抗剪能力产生局部阻力,从而达到锚固岩土体的作用,但不能抵抗弯矩,即不提供锚固切向的抗剪能力[1]。
因此,在本文进行锚杆相关讨论时不考虑锚杆的切向抗剪强度。
锚杆之所以能够在土遗址中起到锚固的作用,主要是因为锚杆杆件在轴向上可以提供一定的抗拉拔能力,而杆件与加固体之间的填充浆液既可以在杆件与浆液之间提供一定的轴向抗剪能力。
当锚杆系统植入之后,整个加固体会发生应力重分布,或者在某种特定条件下,危险体产生一定的位移。
在此过程中由于危险体的位移错动,会在锚杆轴向方向上产生拉拔力,这时锚杆系统开始工作,杆件提供反向拉拔力,而浆液提供抗剪力,来阻止危险体的运动。
随着位移的增大,由危险体传来的荷载增大,整个铺杆系统的受力增大,直至锚杆系统与危险体之间达到相互平衡,危险体停止运动。
与此同时,由于危险体相对于稳定体的错动,锚杆系统会在滑移界面一定范围内产生相对弯曲,使得锚杆系统的受力变得复杂。
然而,锚杆系统在现实情况中还会提供一个锚杆切向的剪力,起到“削钉”作用以阻止危险体的向下运动,达到加固危险体的目的。
2.3.2锚杆受力特性模拟分析
对于全长粘结锚杆,已经有大量学者通过现场或数值模拟对不同拉拔力作用下的锚杆受力特性进行了研究,取得了大量的研究成果。
然而,加牙烽燧遗址由于其天然裂隙的存在,用锚杆加固后其受力特性也具有一定的特殊性。
为查明其受力特性,在加牙烽燧遗址上用一根长度为3m,倾角为13°的锚杆进行锚固模拟计算,锚固位置如图2-3所示。
图2-3锚杆位置示意图
图2-4为在13号锚固位置锚固时,在不同时步下沿锚杆向内方向不同长度上的轴力分布变化图。
图2-4不同时步下沿锚杆长度方向的锚杆轴力变化图
为了方便分析锚杆的受力特性,根据图2-4,将锚杆分为裂隙上覆土体段、裂隙段和裂隙下伏土体段,如图2-5所示。
图2-5锚杆分段示意图
结合图2-4可知,上覆土体段为锚杆0-0.7m段,裂隙段为0.7-1m段,下伏土体段1m之后的部分。
在上覆土体段,锚杆轴力呈先增大后减小的趋势,且靠近裂隙段的部分减小的更多,甚至有压力的出现;在裂隙段,轴力先增大后减小,呈基本对称分布,且变化速率和范围均很大;而在裂隙下伏土体段,靠近裂隙段的轴力急剧增大,随后又缓慢减小。
此外,还可以从图中看出,在锚杆长度为1.3m的范围内提供了主要的抗拉拔力。
对于轴力的这种分布,主要原因是由于裂隙上覆土体在自重应力的作用下产生向下的位移,使得锚杆发生不尽相同的应变。
在裂隙上覆土体段,由于土体的向下位移,锚杆靠近裂隙的部分产生向上的运动,呈向下弯曲状,随着土体位移的增大,弯曲部分逐渐由拉应力状态向压应力状态过渡,因此出现了图2-4中裂隙上覆土体段锚杆压力的出现;同样由于上覆土体的向下位移,锚杆裂隙段产生向下的移动,最终导致此段锚杆基本呈斜向下的状态,同时提供了上覆土体向下运动时,在锚杆上产生的绝大部分拉力;而对于裂隙下伏土体段锚杆,在靠近裂隙部分相应的产生向上的弯曲应变,此部分也可能会产生压应力,而在远离裂隙的部分,上覆土体的位移在锚杆中产生的拉力相当于一个轴向拉力,此段锚杆的轴力呈先增大后减小的状态,这与文献[23-25]的研究成果相类似。
2.4锚杆参数对加牙烽燧遗址稳定性影响的数值模拟研究
要探明锚杆锚固位置、长度和倾角等参数对加牙烽燧遗址稳定性的影响,就要消除多根锚杆锚固时其布置方法引起的群锚效应等弊端,因此本研究选取单根锚杆锚固的方法研究锚杆参数对加牙烽燧遗址稳定性的影响。
首先对加牙烽燧遗址进行自然状态模拟计算。
计算结果表明,在自然状态下加牙烽燧遗址的安全系数为1.25,这与通过极限平衡法计算得到的1.27相差不大,说明模型的建立和模拟过程与实际情况是相符的。
模型的竖直方向位移和运动情况如图2-6所示。
可以看出,裂隙上覆土体是沿着裂隙向下滑移的,最大位移位为2.5cm。
图2-6竖直方向位移和运动矢量图
2.4.1锚固位置对加牙烽燧遗址稳定性的影响
在裂隙
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