[分享]MIDAS GTS NX在高边坡工程中的应用(9)

发表于2020-04-02     343人浏览     1人跟帖     总热度:626  



GTS NX在高边坡工程中的应用

3) 顺层坡的建模处理?


边坡的破坏大体分两种形式,强度破坏和结构面破坏。分析的流程如下图所示:

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图136     边坡分析流程图

从上图的流程图可见,选择哪种建模分析方法,取决于边坡是结构面破坏或强度破坏。一般来说,顺层坡的建模方式也遵循此原则。

看下面一个小例子的对比测试:随机建模,在滑动情况不明朗的情况下,边坡的破坏可能有三种情况:沿结合面的滑动破坏;强度破坏;强度破坏将顺层拉断后又沿结构面滑动。建两个模型,其中1号模型按照实际的地层分界情况建模,按常规建模顺序进行,不特别注重结合面的结合性质。2号模型在1号模型的基础上,着重考虑结合面的性质,在层与层的结合面上增加界面单元,以考虑结合面上下的两个地层之间,在发生滑动时候的摩擦。
 
两个模型如下图所示(以下模型中使用了高阶单元):

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图137    1号模型

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图138     2号模型

执行强度折减法分析,得到的滑动面结果,如下图所示:

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图139     1号模型分析结果


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图140     2号模型分析结果

从滑动面和安全系数结果看,特别设置滑动面上的界面摩擦(界面结合性质),与只按照地层实际的倾角和坡度建模,滑动面和安全系数的结果大致相同。1号模型中,滑动面在向土体深层发展的过程中,虽然没有特别设置结合面性质,但是遇到了抗剪性质相对较好的下层岩石,于是沿二者的结合面产生剪切带,滑动面仍旧沿着结合面发展,此时下层岩体的边缘也出现明显的剪切影响区域。2号模型的滑动面在发展过程中,遇到性质较差的结合面,于是滑动面沿着剪切性质相对较差的结合面产生了滑动,此时下层岩体无明显的剪切带影响痕迹。1号中是性质较好的岩体阻止了滑动面的进一步发展,从而沿结合面滑动,2号是滑动面发展过程中,遇到性质较差的结合面,自动沿结合面滑动破坏,但最终的结果是大致相同的,从2号模型中,也可以根据界面单元的输出结果,得到上部的滑块对下部的岩体产生的摩擦力的影响,见下图:

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图141     X方向界面摩擦力

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图142     Y方向界面摩擦力

从分析结果可见,该滑动面的形式是拉断破坏将地层拉断后又沿着滑动滑动面滑动,从线上图可见,在潜在滑动面位置,应变突增,也能明确看出,即使不设置界面的结合性质,也同样能表现在边坡的破坏特性。

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图143     1号模型的地表应变曲线

以上对比案例,滑动面的向下发展受限是因为下部岩体的性质优于上部地层,姑且认为只是个例。调整模型,将全部的网格性质修改为同一种材料,分别设置为3号模型和4号模型,重新分析:

           
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图144     3号模型(材料性质一致,无界面)的滑动面和安全系数

 
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图145     4号模型(材料性质一致,有界面)的滑动面和安全系数
 
4号模型,单从剪切应变带的结果看,看不出完整滑动面的形状。查看界面的位移情况,如下图所示:

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图146     4号模型界面水平位移结果

从上图界面位移结果中可见,界面位置产生明显位移的起始位置,与上覆地层中剪切应变带衔接,将剪切应变带和界面的位移结果PS到同一张图上,综合起来看可知滑动面的位置如下图所示。同时与3号模型的分析结果对比:

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图147     土层塑性区与界面滑动的组合效果

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图148     3号模型潜在滑动带效果

从分析结果的潜在滑动面发展情况来看,在12号模型的基础上,将材料性质修改为同一种后,上下两种材料的性质无明显强弱差异时,3号模型的滑动面,由于没有优势土层的阻挡,从第一层土穿入第二层土,形成一个完成的圆弧滑动面,未体现出结合面的强弱性质及该结合面对边坡滑动面的影响。在4号模型中,第一层土,受剪切作用影响,土体被拉断,出现滑动面趋势,但出现性质较弱的结合面(界面单元模拟)时,滑动面沿着软弱结合面继续发展,未向第二层土中深入。

从安全系数来看,加入界面单元用于模拟软弱结合面的4号模型,安全系数为0.73,不考虑界面结合性质的4号模型,安全系数0.95,显然,考虑结合面的性质时,安全系数更小,滑动面形状也更符合实际位置。

综合以上对比分析可见,即使是对滑坡不利的顺层地层,在建模时,有时也不必做特殊考虑,例如,该问题中前述的1号和2号对比模型,通常适用于做某两种地层之间的结合面分析。这一方面是因为GTSNX的建模方式,可以将地质情况(地层的倾角)直观的表现在模型中,另一方面是因为SRM分析得到的边坡的潜在滑动面和安全系数,是根据整个边坡分析范围内的实际应力场结果得到的最不利剪切带,因此根据岩土体性质的强弱分析得到的应力场,可以直接体现在分析结果中。而对于性质相近的或相同的地层的软弱面层结合,可以借助界面单元模拟结合面的刚度和强度性质,得到强度破坏和结构面破坏结合的破坏形态。但是,无论使用哪种建模方式,工程师都需综合考虑分析结果,得到尽可能合理的结论。

1)  数值模拟计算时应注意的问题?


数值极限方法与传统极限分析方法相比,其优势为(节选自郑颖人:《岩土数值极限分析方法的发展与应用》):

1)首先是减少了求解的条件,增加了求解的功能。传统方法要求先知道滑动面,而数值极限方法不必事先知道滑面,会自动找出滑面,获得岩土的破坏状态。

2)其次是大幅扩大了极限分析法的适用性。例如,对层状土与非均质土地基、加筋土地基的承载力等问题,传统方法无法计算,而采用数值极限分析法就可顺利求得地基承载力。

3)此外,传统极限分析法无法求出岩土体的塑性区与破坏面,而数值极限分析法可以求出岩土体内各点的应力、位移、塑性区与破坏面。

4)最后,采用数值极限方法还能考虑岩土工程开挖、支护施工过程以及岩土地应力的释放过程等,而传统极限分析方法很难做到。然而,数值极限分析法需要找到计算过程中岩土体发生破坏的有效判据,如果找不到这种判据,即使岩土体已经发生破坏,求解者也并不知道。计算过程中也可能由于种种原因不能顺利求解,导致岩土体不能达到破坏状态。例如,网格剖分不合理而导致计算不收敛,尤其是强度折减后网格变形很大,使求解更为困难。类似求解中的各种问题还需要通过计算实践加以解决。

采用数值极限分析法的一个关键问题是如何根据数值计算的结果来判别岩土体是否达到极限破坏状态。目前,静力状态下采用如下3个判据:

1)以塑性应变在岩土体内是否贯通作为判据,即以塑性区从内部贯通至地面或临空面作为破坏判据。但塑性区贯通只意味着达到屈服状态,而不一定是土体整体破坏状态。可见,塑性区贯通只是破坏的必要条件,而不是充分条件。岩土工程计算中常见塑性区虽已贯通但尚未破坏的算例。

2)在数值计算过程中,岩土工程失稳与数值计算不收敛同时发生,目前国际通用软件中,一般都以数值计算过程中位移或力不收敛作为岩土工程失稳的判断依据。这一判据被广泛应用,但不包括有限元计算失误而引起的计算不收敛。

3)土体破坏标志着土体滑移面上应变和位移发生突变,同时安全系数与位移的关系曲线也会发生突变,因此也可用来作为破坏判据。然而,上述判据具体应用时,有时也会出现不能应用或不易判断的情况。例如,采用荷载–位移曲线或安全系数–位移曲线出现突变作为破坏判据,有些突变过程很明显,有些突变不明显而难以判断,需要进一步改进。对于动力荷载下如何判断极限破坏状态目前还在研究中,上述判据有些可以应用,有些不能应用,如动载作用下,有时达到了极限荷载,但计算中仍然会出现位移收敛,因而还需要依据实际问题提出合理、可靠的判据。此外,对于应变软化岩土材料能否采用这一方法,学术界也持有不同见解:有的认为软化材料先要经过峰值强度,因而可采用这一方法;有的则认为必须考虑材料强度降低,但至今尚无试验证实。可见,有限元极限分析法尚在发展阶段,许多问题有待进一步深入。
 

结语


1) 特辑内的内容系编者自己对工程项目和有限元的理解,专业能力有限,纯属抛砖引玉,如文内有错误,请谅解并指正,如果不谅解,只指正也可。

2) 编者虽偶尔处于失控状态,但总体为正常人,文内内容虽尽力做到客观、准确,但请勿把该作品奉做圣经,仅供交流,不做权威资料。

3) 文内词句描述及建模操作可能带有比较强烈的个人风格,阅读过程中如有不适,请自行处理,由此引发的任何精神损失,本人免除一切责任。

4) 文内涉及到的所有功能和操作,基于midas GTS NXV2017R1版本,如要进行跟随操作和对比,建议在midas GTS NX V2013R1以上版本中进行,若没有NX版本软件,你自己看着办→_→

5) 希望各位工程师在翻阅本册资料时,更多的是参考在做有限元分析时的思路,忽略对细节问题的过多计较。

6) 文档版权属MIDAS公司所有,如有转载或商用,请联系北京迈达斯技术有限公司。

7)边坡的数值分析是非常有趣的,有趣的同时,也存在很多的未知。祝福所有的工程师在探索未知的同时,能够获得更多有趣的体验。

编者  马璐寒
来源:绿色能源世界
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 发表于2020-04-02   |  只看该作者      

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