ANSYS巖土計(jì)算例子

ANSYSReportANSYSt工結(jié)構(gòu)計(jì)算案例ANSY&CHINA辦事處2020年5月23日目錄TOC\o"1-5"\h\z計(jì)算題目及計(jì)算要求說明 1\o"CurrentDocument"題目一 4\o"CurrentDocument"一、 計(jì)算說明 4\o"CurrentDocument"二、 計(jì)算所用ANSYSB肯一的E—B模型說明 5\o"CurrentDocument"三、 計(jì)算有限元模型及計(jì)算結(jié)果 6\o"CurrentDocument"題目二 7\o"CurrentDocument"一、 用三維有限元模型計(jì)算 7\o"CurrentDocument"二、 用三維有限元模型計(jì)算 8題目三 10\o"CurrentDocument"一、 計(jì)算說明 10\o"CurrentDocument"二、 計(jì)算有限元模型及邊界條件 10\o"CurrentDocument"三、 強(qiáng)夯地基固結(jié)計(jì)算 10\o"CurrentDocument"題目四 17\o"CurrentDocument"一、 計(jì)算說明 17\o"CurrentDocument"二、 計(jì)算幾何模型和有限元模型 17\o"CurrentDocument"三、 計(jì)算結(jié)果 181、 計(jì)算邊界條件 182、 計(jì)算結(jié)果 193、 結(jié)論 20計(jì)算題目及計(jì)算要求說明題目一：高樁碼頭樁基與岸坡相互作用的線性有限元和非線性有線元分析題目二：大圓筒結(jié)構(gòu)、波浪與地基的相互作用分析（大圓筒作為重力式碼頭結(jié)構(gòu)，波浪為水平動荷載，門吊為豎向動荷載，地基為三層以上地基包括自拋碎石墊層、粘土層、粉細(xì)砂層和巖層，粉細(xì)砂層可能在波浪動荷載作用下液化造成圓筒傾覆）題目三：（沖擊荷載下）強(qiáng)夯地基固結(jié)有限元分析（提供固結(jié)方程或固結(jié)方程處理方案，孔隙水壓力消散計(jì)算方案、沉降計(jì)算方案及其他一些處理技巧）題目四：在降雨情況下土工格柵加筋土擋墻邊坡上公路穩(wěn)定分析 （由上至下為公路面層，墊層，擋墻，擋墻面板采用預(yù)制混凝土塊0.60.60.6m3，混凝土后方為鉤掛式土工格柵，邊坡比較陡，邊坡有一定排水特性）。具體處理方案包括：1、 提供計(jì)算輸入界面2、 計(jì)算模型或采用本構(gòu)情況3、 前處理方案及網(wǎng)格劃分技巧4、 特殊材料或模型嵌入技術(shù)5、 計(jì)算技巧及解決方案6、 后處理提供容具體報(bào)價方案包括：進(jìn)行簡單報(bào)價，涉及以上題目的各模塊的綜合報(bào)價（包括前后處理及解決以上問題的結(jié)構(gòu)與巖土問題的模塊報(bào)價.能用通用模塊計(jì)算盡量用通用模塊，必須用CivilFEM模塊計(jì)算的請注明.提供解決方案時間：2005年5月18日之前。題目一高樁碼頭樁基與岸坡相互作用的線性有限元和非線性有線元分析一、計(jì)算說明高樁碼頭樁基與岸坡相互作用的線性有限元和非線性有線元分析， 可以用空間有限元模型或平面有限元模型數(shù)值求解?？臻g有限元模型如圖1-1所示?？紤]到岸坡主要是平面問題，為了節(jié)省單元，可以只取四榀排架建立空間模型，并以中間兩個排架的受力情況作為整個碼頭段的樁的受力標(biāo)準(zhǔn)。橫梁可用梁單元或體單元，樁可用梁單元或殼單元或體單元，地基土可用體單元，樁土之間可加面—面接觸單元 Targe170和contal174以模擬樁土之間的相互作用。梁和樁作為線彈性材料，土可作為 D-P材料按彈塑性分析或可用E—B材料以作非線性彈性分析。ANTTPS嘶＞；20G514:06:42rWTNO,TTPS圖1-1 高樁碼頭樁基與岸坡相互作用空間有限元模型平面有限元模型如圖1-2所示。計(jì)算模型寬度在碼頭前沿以前和后方堆場可各取碼頭寬的2.5倍，計(jì)算模型深度可從碼頭面到樁端以下5?10米。橫梁和樁可用梁單元或平面單元，其模量和尺寸可按相似原理進(jìn)行換算。不管空間還是平面模型，在計(jì)算模型圍的原狀土，自重引起的應(yīng)力場應(yīng)按初始應(yīng)力場考慮，ANSY提供了初應(yīng)力計(jì)算的功能，解決初應(yīng)力問題非常方便。、計(jì)算所用ANSY&B肯一的E—B模型說明

本算例是一個高樁碼頭樁基與岸坡相互作用的線性有限元和非線性有線元

分析，是一個平面計(jì)算的例子。本例的土體用鄧肯—的 E—B模型模擬。E—B模型為非線性彈性模型，土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為雙曲線，如圖1-3所示。切線變形模量為EtEtKPaPEtKPaPa2Rf(1 3)(1Sin)2ccos23sin(1—1)(1—(1—2)(1—3)切線泊松比卩按下式確定:Et3(1 2)BKbpa(h式中，K、n—試驗(yàn)常數(shù)；pa—大氣壓；B—體變模量；m—應(yīng)力指數(shù)；1、 3—大小主應(yīng)力；心一體積模量系數(shù)；Rf—破壞比；c、—凝聚力和摩擦角。上述非線性彈性問題的有限元求解方法，可用增量法或迭代法。本例選用迭代法求解。ANSYS!供參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL可以方便用于按參數(shù)建模，也可以用來擴(kuò)展有限元的分析能力，創(chuàng)建各種控制方案。另外， ANSYS勺命令流也可以有效控制和實(shí)現(xiàn)很多求解過程和求解方案。本例結(jié)合ANSYS^數(shù)化設(shè)計(jì)語言及ANSYSP肯—的E—B模型來實(shí)現(xiàn)。三、計(jì)算有限元模型及計(jì)算結(jié)果題目二大圓筒結(jié)構(gòu)、波浪與地基的相互作用分析一、用三維有限元模型計(jì)算大圓筒在外荷載（包括動荷載）作用下和地基相互作用問題，可按空間問題求解。現(xiàn)以大圓筒在振動下沉?xí)r的動力分析為例闡述如下。大圓筒求解有限元模型如圖2-1所示。用六面體等參元模擬土基礎(chǔ)，用曲

面殼體單元模擬鋼圓筒，用梁單元模擬鋼圓筒柱殼上的縱橫向加強(qiáng)肋， 在大圓筒和基土之間設(shè)置接觸面單元以模擬筒體和地基的相互作用。對瞬時動荷載采用時程積分的方法，將一個周期的荷載分為足夠多個時間步（比如300步）進(jìn)行求解。圖2-2所示為大圓筒下沉到十六米時在T=11.5秒時的豎向應(yīng)力云圖。大圓筒在側(cè)向荷載（如波浪力）作用下的傾復(fù)問題也可用上述空間模型求解。在側(cè)向荷載作用下，達(dá)到一定程度時，圓筒和土體之間的接觸單元會反映出筒體和土體間的分離現(xiàn)象。二、用三維有限元模型計(jì)算參考日本規(guī)，大圓筒的位移和傾復(fù)問題，也可以用平面方法按如下模型求解。縱向取單寬按平面問題計(jì)算，橫向?qū)挾菳可按縱向單元長度面積相等的原則確定。墻后土壓力按假想平面和庫侖極限主動土壓力計(jì)算，側(cè)向摩阻力由主動土壓力和土與墻背間摩擦角 計(jì)算確定。墻前水平土抗力通過設(shè)置非線性彈簧元經(jīng)非線性迭代計(jì)算確定。筒底地基反力通過設(shè)置筒底豎向彈簧元經(jīng)計(jì)算確定；筒底基土的剪切反力，通過設(shè)置筒底水平向彈簧元計(jì)算確定，根據(jù)上述假定，在ANSY上建立有限元模型如圖2-3。經(jīng)非線性迭代計(jì)算，得到土抗力和地基反力如圖 2-4所示

siao/731^位移圖見圖2-5，最大位移DMXf10.7688cm。各關(guān)鍵點(diǎn)的位移如表表一關(guān)鍵點(diǎn)的位移關(guān) 鍵 點(diǎn)豎向位移（cm）水平位移（cm）水平允許最大位移H*1.5%（cm）筒 頂2.88（向下）7.41（向外）V29.25（滿足要求）海 底 面2.84（向下）5.04（向外）筒底前趾2.42（向下）0.179（向）筒底后趾1.73（向下）0.566（向外）CT.：：F：-￥FT!FT77STBF^lSUB=1TIbgDt￡<=OLimftBDn

題目二（沖擊荷載下）強(qiáng)夯地基固結(jié)有限元分析（提供固結(jié)方程或固結(jié)方程處理方案，孔隙水壓力消散計(jì)算方案、沉降計(jì)算方案及其他一些處理技巧）一、計(jì)算說明本題目對強(qiáng)夯地基固結(jié)進(jìn)行有限元分析， 可采用ANSYSSTRUCTURE析模塊來完成。二、計(jì)算有限元模型及邊界條件圖3—2沖擊荷載加載圖三、強(qiáng)夯地基固結(jié)計(jì)算ANar?-idTIHEh,1

NQDMGEONSTIP=1NQDMGEONSTIP=1SUB=10TIKE-.LSEQVIMflG)Dffi：-.7?E-03￡MH=21^7=114591XAF102(05L2i&4i4O圖3—4沖擊荷載作用下的等效應(yīng)力云圖根據(jù)Skempton土力學(xué)計(jì)算公式，每一個荷載增量導(dǎo)致的孔隙水壓力的增量可用式(3-1)表示：uB[3A(i 3)],B1,A1/3 (3-1)根據(jù)上式(3-1)，采用ANSY創(chuàng)計(jì)算得到動載作用下孔隙水壓力增量。圖3-5動荷載末時的孔隙水壓力增量 U云圖圖3-6動荷載末時的孔隙水壓力增量u云圖由式：uu0ughu (3-2)可計(jì)算得到孔隙水壓力的分布，如下圖所示。圖3—7動荷載末時的孔隙水壓力 U云圖孔隙水壓力與水頭的關(guān)系可用式(3—3)表示，圖3—8為沖擊何載作用末時水頭分布云圖。(3—3)Ef：r*JLLSOLWIOI；ANxnrw±00^UlltlQlSTJBTIMK-1TEXP■ar■曹丄u空斗=10TiH710.Q1J L9?1$6 1嘰彳 丄0』士電￡ 10.&a-?圖3—8沖擊載荷末時水頭h圖3-101天后各點(diǎn)水頭分布圖3-114天后各點(diǎn)水頭分布圖3-125天后各點(diǎn)水頭分布圖3—1310天后各點(diǎn)水頭分布圖3—1420天后各點(diǎn)水頭分布圖3—1530天后各點(diǎn)水頭分布圖3-1650天后各點(diǎn)水頭分布圖3—1760天后各點(diǎn)水頭分布圖3-1865天后各點(diǎn)水頭分布 圖3-19100天后各點(diǎn)水頭分布為了得到在沖擊載荷作用下孔隙水壓力的消散過程， 如圖3-21?圖3-23所示分別畫出了圖3-20所示3個點(diǎn)的孔隙水壓力u隨時間的變化曲線。10m10m20m圖3-20孔隙水壓力U消散過程三個監(jiān)控點(diǎn)位置

4.60E+04?4.50E+0444.40E+04 |4.30E+044.20E+044 *4.10E+04—? I400E+04-2.00E+06 0.00E+002.00E+064.00E+066.00E+068.00E+061.00E+07時間（秒）圖3-21第1個監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力 U隨時間的消散過程圖3-22第2個監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力U隨時間的消散過程0.00E+ 1.00E+ 2.00E+ 3.00E+4.00E+5.00E+6.00E+7.00E+ 8.00E+ 9.00E+00060606060606060606時間（秒）圖3-23第3個監(jiān)控點(diǎn)孔隙水壓力U隨時間的消散過程題目四:在降雨情況下土工格柵加筋土擋墻邊坡上公路穩(wěn)定分析（由上至下為公路面層，墊層，擋墻，擋墻面板采用預(yù)制混凝土塊0.60.60.6m3,混凝土后方為鉤掛式土工格柵，邊坡比較陡，邊坡有一定排水特性）。一、計(jì)算說明題目四是一滲流—結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算問題。而ANSYS具有功能強(qiáng)大的滲流—結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算功能。下面是針對題目四，采用ANSY新完成的：在降雨情況下土工格柵加筋土擋墻邊坡上公路穩(wěn)定分析。二、計(jì)算幾何模型和有限元模型以下各圖分別是計(jì)算模型及有關(guān)尺寸、材料的說明

MftrHUMMftrHUM圖4-3滲流-結(jié)構(gòu)耦合計(jì)算有限元模型該壩體結(jié)構(gòu)共有六種材料，上圖4-3中分別用不同顏色表示結(jié)構(gòu)不同的材料。三、計(jì)算結(jié)果1、計(jì)算邊界條件

以上是邊坡路基在降雨情況下穩(wěn)定分析邊界條件說明。除了考慮降雨，同時路基兩側(cè)考慮了10m常水頭的作用。2、計(jì)算結(jié)果STEPwlSUB7TIME-iSTEPwlSUB7TIME-i卜雨情況下壓力水頭等值云圖HODAL8OLUTICNffTEP-1卜雨情況下壓力水頭等值云圖HODAL8OLUTICNffTEP-1SUB=1TIME-lSK?V 刖SWI-2€0.4?L呂HK=l^OBOdF雨情況下孔隙水壓力WvDAuuJ-OLUTLl#WvDAuuJ-OLUTLl#旨3VEIwlTIME->2盤網(wǎng) iATO)ere? 酉SMH-7&3.-1：gm>M0L2：4DSKK￡i-4eiE4?IS4169 5212&9 315219 4.01240F雨情況下結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力云圖同時，為了對下雨和無雨情況下邊坡路基的穩(wěn)定性進(jìn)行對比，下面是無雨情