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发表于2020-04-02     157人浏览     0人跟帖     总热度:519  


GTS NX在高边坡工程中的应用

3.边坡工程中的本构和单元

3.1  各向同性材料

3.1.1  弹性、Von-Mises

弹性材料在卸载后回到最初的状态,不产生任何的永久变形。钢筋混凝土材料,或只关注弹性变形的岩土材料通常使用弹性本构进行分析。该本构模型参数简单,并且容易获得,不再赘述。
Von-Mises模型主要用于定义与钢材性质接近的延性行为,也即剪应力达到临界值即发生屈服破坏,通常用于桁架、植入式桁架及梁单元,也可用于模拟钢材制作的锚杆、土钉及钢管桩等。
在用于土质材料时,Von-Mises准则不考虑静水压的影响,并且其抗压和抗拉屈服应力相同。
       
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图83  屈服面形状
顺手科普,任意点的应力状态,在主应力空间中可分解为两个分量:静水压和偏应力,静水压力造成岩土体体积的改变,偏应力造成岩土体的形状改变,体积的均匀改变通常不会引起破坏,因此通常对岩土体造成破坏的是偏应力,(联想三轴试验,为什么关注的通常是)但体积的改变会影响形状的改变(联想三轴试验,为什么的大小会影响土体能够承受的的大小,微笑脸
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)。

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图84  应力张量
Von-Mises本构来说,忽略了静水压的影响,相当于忽略了体积改变对形状改变的影响,因此,在使用上具有一定的局限性,工程师在使用时只要充分理解每个本构的特点和适用性,灵活应用即可。

3.1.1    摩尔-库伦(M-C)和德鲁克-普拉格(D-P)

摩尔-库伦本构属于理想弹塑性本构,如下图所示。相较于弹性本构,多了屈服点的设置,弹性阶段也是有限的,这种行为特性对于一般的岩土非线性分析是充分可靠的,因此广泛适用于大部分岩土材料。
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图85  应力-应变曲线
对于岩土材料Mohr-Coulomb破坏准则有两个缺点。第一,中间主应力不影响屈服,这个假设与实际的土体试验结果矛盾。第二,莫尔圆的子午线和破坏包络线是直线,强度参数(摩擦角)不会随着围压(或者静水压力)改变。这个准则在围压有限的范围内是正确的,但是,当真实范围过小或过大时准确度会降低
M-C本构由于参数简单,且结果准确度高,在岩土工程有限元分析中被广泛应用,尤其适合工程项目的初步分析。
边坡工程的项目特点,轻本构,重强度,摩尔-库伦本构的强度参数因为清晰且容易获得,且边坡工程的有限元分析方法—强度折减法和应力极限平衡法都支持该本构,因此,一般在边坡工程中,摩尔库伦-本构的使用最为普遍。
M-C本构的参数如下表:
表1.  M-C参数表
参数
参数解释及取值参考
弹性模量
材料发生大应变前,输入;对于一般岩土材料,输入应力达到峰值应力的50%时的切线的斜率;模拟加载和卸载时,输入卸载模量。
弹性模量增量
表现土的刚度特性随深度和围压变化的参数,弹模随深度变化的变化率。
参考高度
已知弹性模量的对应深度,也即弹模变化的基准深度。
泊松比
0~0.5的值,越接近0.5,材料的不可压缩性越明显。
容重
土的天然重度。
粘聚力
输入对应排水条件下的粘聚力值,通常应与排水参数的设置对应。
①:排水分析,适用于常规施工过程的分析,施工持续,排水性好,例如沙土,输入固结排水参数,E0’、c’、j’,常取固结排水剪提供的参数。
②:固结不排水分析,使用排水参数模拟不排水状态,适用于关注加载瞬间的瞬时沉降行为、或者排水不良的场地的分析,输入固结排水参数,同①,常取直剪固结快剪或三轴固结不排水剪提供的参数。
③:适用性同②,参数使用固结排水的刚度参数E0’,不排水强度参数cj=0),常取直剪固结快剪或三轴固结不排水剪提供的参数。
④:适用于排水不良场地的饱和土,刚度和强度参数均使用不固结不排水参数cuju=0),常取直剪快剪、三轴不固结不排水试验或十字板剪切试验的参数。
粘聚力增量
表现土强度特性随深度和围压变化的参数,粘聚力随深度变化的变化率。
参考高度
已知粘聚力的对应深度,也即粘聚力变化的基准深度。
摩擦角
参考粘聚力的输入方式。
膨胀角
是否考虑土体的剪胀效应,或使用的流动法则的参数。
如果考虑剪胀性,则勾选并输入相应值;
如果不考虑,则不勾选,程序按执行计算(边坡工程中,不考虑剪胀性时,更强调土体的剪切效应,能够看到更明显的剪切破坏带)。
体现在流动法则上:当塑性位势函数等于屈服函数时(时),相应的流动法则称之为相关联流动法则,否则称为不相关联流动法则。
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抗拉强度
不考虑土体抗拉时,需勾选,并设置为0
若不勾选,则程序根据cj自动计算土体的抗拉性。
单轴抗压强度
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,单轴抗拉强度
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德鲁克-普拉格材料模型也经常用于基坑和隧道的分析中,由于其参数与摩尔库伦一致,但数值计算性比摩尔库伦好,因此应用也非常普遍。
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图86  M-C屈服面和D-P屈服面
小技巧:
由于摩尔库伦本构的屈服面存在角点,自身带有数值求解的不收敛性。而边坡的强度折减法分析时,边坡的破坏也已不收敛为输出结果的条件,因此在使用该本构进行分析时,需要工程师判别,计算的不收敛究竟是本构自身的不收敛性造成的,还是确切是因为边坡的破坏造成的。
分享一个很简单的判断方法,同一个模型,在不做任何修改的情况下计算2次以上,根据程序输出的结果来判断,如果每次输出的结果皆不同,且有较大的差异,则可基本判断,结果的输出是因为本构的不收敛性造成的。反之,如果每次计算输出的结果相同,则可基本断定,强度折减确已进行到边坡破坏,结果的输出是因为边坡破坏造成的不收敛,说明分析已经完成。

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表7.  单轴抗压强度
       
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                          表8.  m值
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表9.  GSI值
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(本小节内容取自EvertHoek.Canada:《Practical RockEngineering》)


3.2  各向异性材料


3.2.1          横向各向同性


横向各向同性,或者称为横观各向同性,适用于层状结合的岩土材料。“层状结合”含义是,同一性质的岩石中,存在面与面的结合,而不是指地层与地层之间的结合,同一性质的地层中可能含有多个层面结合。

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  92  横向各向同性

横向各向同性是一个很简单的弹性本构,不能用于边坡的强度折减法分析。在输入参数时,只需输入层面切向和法向的刚度参数值,不设置层面厚度。因为计算时取的是一个整体,刚度也是按照整体的横向和法向刚度考虑。

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图93  横向各向同性参数表

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94  横向各向同性的局部坐标系

上图右图中,X-Z为整体坐标系,x'-z'为局部坐标系,刚度模量分别输入x'方向和z'方向的值(垂直于x'-z'方向为y'方向,z'、x'、y'分别对应模型本构参数中的1、2、3),并使用a角进行整体坐标系和局部坐标系的转换。该本构模型使用时理解起来很简单,参数的设置简单,分析计算也简单,因此不做过多描述。
 
表10.       横向各向同性参数表
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对倾角、倾向和走向的理解可参考下图理解,对一个走向60°,倾向150°(a 2),倾角25°(a 1)的产状描述的岩石,见下图:

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图95  岩层产状的地质描述

3.2.2          节理岩体


节理岩体本构是同时兼具横观各向同性和塑性各向异性的理想弹塑性模型,适用于地质环境中存在连接体或连接体的组合,例如节理、断层等,但需注意这些“连接体”的组合不能填充断层粘土,并且间距与构造的尺寸要足够小(如果断层或裂隙间距大且有填充物,直接定义为一个单独的地层即可)。

节理岩体本构支持3组主节理的输入,其中第1组为层理(地层与地层的结合面)的强度参数和产状描述,第2、3组为主节理的强度参数和产状描述。

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图96  层理和节理的示意

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图97  节理岩体参数表

从节理岩体的参数表可见,除非线性参数外,节理岩体和横向各向同性本构的参数基本一致,不同的地方在于,节理岩体多了对节理结合面的强度描述。

表11.      节理岩体本构参数表

节理1
节理2
节理3
C
层理的强度参数c
第1组节理的强度参数c
第2组节理的强度参数c
Fi
层理的强度参数j
第1组节理的强度参数j
第2组节理的强度参数j
Alp1
层理的倾角
第1组节理的倾角
第2组节理的倾角
Alp2
层理的倾向
第1组节理的倾向
第2组节理的倾向





常见问题解答


1)  剩余下滑力的求解?


剩余下滑力是传统边坡设计方法中的概念,在有限元普及的今天,很多设计院仍旧以剩余下滑力作为边坡设计的主要参量。除工程师熟悉的理正软件外,很多程序都可以实现该功能。

使用传统的刚体极限平衡法,需要预先假设滑动面,假设滑动面需要一定的工程分析经验,并且有很多因素,例如人工结构锚杆、抗滑桩等,软弱夹层,不良地质发育都无法充分判断,基于此,刚体极限平衡法具有一定的局限性。因此,根据边坡有限元分析的经验,可以使用有限元强度折减法得到边坡的滑动面,然后求此滑面的剩余下滑力,用此思路可以得到比较准确的滑面信息。

求解剩余下滑力,可以借助midas SoilWorks(SWS)软件实现。

执行以下操作步骤实现整个流程的分析:

第一步:确定边坡的滑动面。

确定滑动面的步骤可以在GTS NX中进行,但为了显示出操作的流程化,并且对比SWS和GTS NX的操作上的不同,也为了凸显二者之间交互的便利性,同样在SWS中执行“确定滑动面的分析”。

使用有限元强度折减法确定滑动面的过程和结果,SWS和GTS NX完全相同,但从操作对比上看,SWS更适合新手使用,尤其对于边坡的多剖面短平快的分析,SWS几乎可以实现有限元0基础入门的“秒分析”。

首先执行确定滑面的强度折减法分析,一起来体会一下SWS的智(sha)能(gua):

①    导出线框:将GTS NX中的几何线框导出成*.fpn格式的文件。打开SWS程序,选择土质边坡模块。进入程序界面。初始参数按照默认,不做修改。

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图1  导出中间fpn文件

②    导入线框:程序左上角的文件管理命令,在下拉菜单中选择“导入”>“fpn文件”,将几何线框导入到SWS中,这种形式的导入可以将材料属性一并导入,无需在SWS中重复输入。

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图98  导入fpn文件至SWS

③生成智能曲面:主菜单>几何形状>建立>智能曲面
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,点击智能曲面命令,自动生成曲面。曲面效果如下图所示:

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图99     导入fpn文件效果

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图100   智能生成曲面

④赋予属性:移动鼠标在模型窗口中选中曲面,从左侧工作树菜单中的材料属性>地基地形列表中,选中对应属性,按住鼠标左键拖动到对应曲面上,赋予曲面相应属性。

⑤生成智能网格:切换主菜单至“模型”选项卡,打开智能网格
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命令。选择“稠密”,勾选“□生成高阶段元”、“□生成三角形单元”,点击“确认”生成自动网格。

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图101   智能网格

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图102     稠密网格

PS:工程师如想生成“非常稠密”的网格,可自行生成体会(该疏的稀疏,该密的加密,只有你想不到,没有它办不到):

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图103     “非常稠密”网格

⑥生成智能边界:切换主菜单至荷载/边界条件,打开智能支承
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命令,点击“确认”,添加智能边界。

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图104     智能支承

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图105     智能支承效果

⑦设置分析条件:SWS自动设置重力作用,无需工程师设置。打开水位线命令
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,选中代表水位的线,点击“确认”,生成水位函数。

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图106     设置水位线

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图107     水位线效果

⑧生成分析工况:切换到分析/设计主菜单,打开
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命令,输入名称为“滑面确定”,分析方法选择“边坡稳定分析SRM”,点击“所有单元网格组”、“所有边界组”、“所有荷载组”,点击“分析控制数据”,勾选“□初始水位”,选择设置好的“水位”函数,点击“确认”,回到主面板,继续点击“确认”。

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图108     设置分析工况

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图109   考虑水位的工况

⑨分析求解:点击
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命令,只选择“滑面确定”选项(此处可见SWS同样支持分析计算的计算书功能),点击“运行分析”。

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图110   求解分析工况

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图111   潜在滑面效果图

根据边坡的实际应力状态,确定剪切破坏带,也即确定了边坡的潜在滑动面。

步骤一的所有内容都可以在GTS NX中完成,也可以在SWS中进行二次分析,使用两款有限元软件对分析结果进行对比。      

第二步:求解剩余下滑力。

确定实际的潜在滑动面后,求解该滑动面对应的剩余下滑力即可。求解剩余下滑力是刚体极限平衡法的概念,因此仍旧借助极限平衡法的概念来进行。

①     剔除抗滑段的线,确定滑动面:将滑面分析的模型另存一个新文件,命名为“下滑力确定”,删除网格组,将几何线框的抗滑段删除(因为对分析没有影响,下图中同时删除了另一深层下卧软弱层,),通过几何形状菜单下的
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命令,将滑面确定阶段确定的圆滑动面用弧线表示出来,见下图的弧线:

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图113     设置滑动面位置

②修改材料类型为LEM:打开极限平衡法菜单下的
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命令,选中材料左侧列表中定义好的材料,将模型类型直接切换为“摩尔-库伦(LEM)”,点击右下角“修改”,重复该操作,将所有材料类型都修改为“摩尔-库伦(LEM)”。

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图114     修改材料性质

 生成智能曲面并对每个面赋予属性:点击
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命令,生成智能曲面。选中某一个面或多个面后,从左侧工作树中按下鼠标左键拖动材料性质放置于选中的面上,赋予该面对应的属性(注意在选择面的时候,不要遗漏小块的面):

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图115   生成LEM分析的智能曲面


 ④生成滑动面边界:点击
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命令,打开对话窗,边界组名称输入“最不利滑动面”,中心点选择“自动查找”,定义多边形破坏面类型选择“输入坐标”,表格中的坐标,在模型窗口的几何模型中,沿着圆弧滑动面的线选择关键点进行捕捉,点击“确认”。

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图116     设置滑动面

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图117     滑动面边界


⑤生成水位线:打开水位线命令
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,选中代表水位的线,点击“确认”,生成水位函数。

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图118     模型效果

生成分析工况:切换到分析/设计主菜单,打开
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命令,输入名称为“滑面确定”,分析方法选择“边坡稳定分析(LEM)”,点击“所有层组”、“所有边界组”、“所有荷载组”,点击“分析控制数据”,分析方法选择“Morgenstern-Price”,边坡方向按照默认“从左向右方向”,勾选“□初始水位”,选择设置好的“水位”函数,点击“确认”,回到主面板,继续点击“确认”。

提示:选择的条分法方式不同,计算出的剩余下滑力的数值也不同,每种条分法考虑的力或力矩的平衡及适用的滑动面也不同,这里选择Morgenstern-Price法,是因为该方法属于精确解,并且适用于任意形式的滑动面,具体参考分析原理方法1.1章节。

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图119     LEM分析求解剩余下滑力

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图120     设置分析控制选项


分析求解:点击
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命令,只运行“剩余下滑力”选项,点击“运行分析”。

查看结果:程序自动切换至后处理,查看运行分析结果。

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图121     去掉抗滑段的边坡安全系数

⑨查看剩余下滑力:双击模型窗口中的条块,查看每个条块的受力情况。查看剩余下滑力,一般查看最后一个条块来自边坡滑动方向的推力即可。从下图看见,剩余下滑力为322.2KN/m

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图122     剩余下滑力

以上求解剩余下滑力的方式,其实还是依赖传统的极限平衡法,只是滑动面是基于有限元算法根据实际的应力状态求解出来的,相对来说,来经验判断的依赖比较少,滑动面也符合实际的破坏状态。

有些工程师习惯使用该方法:确定滑动面后,去掉抗滑段部分的土体,在滑动段距离坡脚2/3处设水平力(见图 123),求解滑动面的安全系数,通过不同试算,直到该滑动面的安全系数为1,则剩余下滑力正好等于水平推力,以此方法确定剩余下滑力的大小。

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图123     通过添加水平力求剩余下滑力

小技巧:
假如使用假设抗滑段2/3高度处水平力+条分法求解剩余下滑力的,应注意选择条分方法,根据前文第11.1节的讲述,部分方法是忽略了条间水平力的影响的,因此,选错了方法可能会出现,水平力对安全系数没有影响的情况。



2)  多结构面起控制作用的岩质边坡的安全性判断?


岩质边坡的稳定性计算与土质边坡不同,规范的要求也不尽相同。对于结构面起控制作用的岩质边坡破坏,破坏形式有三种:平面破坏、楔形破坏和倾倒破坏,根据规范要求,需使用极射赤平投影法确定边坡的破坏形式。

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图124    平面破坏
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图125     楔形破坏

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图126     倾倒破坏

《建筑边坡工程技术规范GB50330-2013》条文5.2.2:边坡抗滑稳定性分析设计可采用刚体极限平衡法。对结构复杂的岩质边坡,可结合采用极射赤平投影法和实体比例投影法;当边坡破坏机制复杂时,可采用数值极限分析法。

极射赤平投影法是一种定性分析的方法,实际应用起来有两点显而易见的困难:手工绘图确定破坏模型比较麻烦。只能做定性分析确定破坏位置和破坏形式,无法做定量分析给出安全系数,如果需要得到安全系数,通常要再借助极限平衡法。遇到麻烦的时候,当然需要软件这一有效的工具赶来救场。极射赤平投影法,同样可以借助SWS软件实现定性+定量分析的结合。

使用SWS进行极射赤平投影法的步骤一般为:
① 现场勘查得到不连续面的方向和内摩擦角,整理表格备用。
② 在SWS的岩质边坡模块新建文件,选择赤平投影法,输入各个不连续面或节理信息特性。
③ 定义不连续面的破坏准则(平面、楔形或倾倒破坏)。
④ 执行初步分析得到定性分析结果,切换至极限平衡法执行定量分析。

看下面一个小例子。现场勘察得到的不连续面的方向信息如下表所示:
 
表1.       节理信息表
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按如下步骤进行操作:
     打开SWS软件,进入岩质边坡模块
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,点击
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,新建一个项目。设置模型名称为“岩质边坡分析”,指定模型存储的路径位置。在弹出的对话窗中,选择“极射赤平投影”,进入程序界面。

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图127     新建项目

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图128     选择任务类型


     在主菜单上选择赤平极射投影,点击
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输入结构面信息,可直接从前述表格中将结构面信息复制粘贴进来,点击“关闭”。

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图129     输入结构面信息


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图130     模型窗口效果


     在主菜单上选择
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,打开对话窗。输入破坏准则名称“平面破坏”,破坏模式选择“平面破坏”,破向输入“40”,摩擦角输入“30”,破坏准则输入“20”,坡角输入“0.5”,点击坡角列表右侧的“添加”,依次添加0.71,点击窗口下方“添加”。重复上述步骤,依次定义楔体破坏和倾倒破坏。

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图131     设置平面破坏

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图132     设置楔体破坏

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图133     设置倾倒破坏

     在主菜单上选择
MIDAS GTS NX在高边坡工程中的应用(8)_83
命令,打开对话窗,设置名称为“平面破坏”,在判断标准的下拉菜单中选择“2:平面破坏[平面破坏]”,点击“添加”。重复上述操作,依次定义楔体破坏和倾倒破坏。

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图134     执行预分析

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图135     预分析结果示意

     在主菜单上选择
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,可以查看不同的破坏准则下的结构面破坏,及组成破坏的滑块的结构面信息。

确定了可能的滑面及滑坡类型后,再进行极限平衡法(条分法)的分析确定边坡滑移的安全系数即可。


来源:绿色能源世界
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