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有限元极限岩土工程论文
RSS 打印 复制链接 发布时间:2017-01-10 08:54:27

 一、有限元极限分析法原理

(一)定义安全系数。
有限元极限分析法可以准确定义安全系数,并且根据岩土工程破坏程度进行调整。在滑坡工程中,岩土受环境因素的影响较大,在强度下降的情况下,会导致滑坡失去稳定性。而这种工程使用强度贮备系数进行计算,也可以通过降低岩土强度实现破坏,完成有限元的计算。在计算的过程中,强度下降倍数即是强度贮备系数,因为有限元极限分析法具有这种特征,又可称其为强度折减分析法。在岩土工程中,使用有限元分析法计算安全系数,主要计算内容就是强度贮备系数。例如在计算地基工程安全系数时,由于地基荷载增大,导致地基压力过大,使地基失稳,在这种环境中,荷载增大倍数又称为超载安全系数,也可以成为增量加载数值。采取该方法进行求解,得出的安全系数结果均为超载系数,而采取不同定义的安全系数计算方法,最终计算的系数结果也有较大差别,而采取同一定义计算出的推力,也会存在一些变化。
 
(二)有限元分析原理。
在对有限元进行计算时,需要不断降低滑坡岩土抗剪强度,直到滑坡结构发生破坏。在通过有限元程序完成计算后,可以获得已经破坏的滑动面,并且通过破坏时间获得强度贮备系数。由于正常的岩土材料包含两种强度,分别为c、tanφ,而这两种指标统一使用强度贮备系数,所以在指标下降时,应维持同比例下降,但是现实中的岩土却非这种下降模式,这也是目前强度贮备系数存在的一些不足。在岩土工程施工的过程中,岩土破坏呈现出逐进式的破坏,而岩土体从线弹性逐渐转变为塑性流动,最终导致岩土体承受能力到达极限,发生破坏。而增量加载情况正是求出地基极限承载力的重要方法,在荷载量不断增长的过程中,岩土体从弹性转变为塑性,最终转变为极限破坏形态,在这个过程中添加的荷载,即为需要计算的极限荷载。通过该方法,可以准确计算出岩土工程的极限荷载,所以该方法又被称为有限元超载法。
 
(三)有限元分析法的优势。
使用有限元分析法,可以继承数值分析与经典分析两种方法的优势,可以发挥出数值分析的高度适应性,也可以发挥出经典分析在岩土工程设计上的实用性,非常适合在岩土工程中进行应用。使用有限元分析方法,可以无需确定滑面位置与形状,直接计算出准确的边坡安全系数,而且也不需要通过条分进行计算,可以直接根据程序计算出强度贮备与滑面的系数。在使用有限元计算地基承载力时,可以通过超载法进行计算,无需假设破坏位置,也无需使用理论解答,通过程序即可处理数据,并且给出相应的滑面极限承载力。该方法适用于各种复杂的岩土工程,不会受到几何形状、材料不均等的问题影响。
 
二、连续问题离散
使用三节点三角形进行剖分研究,可以发现单元间会呈现出不连续的应力面,具体情况见图一。该单元的优点就是,在节点变量符合屈服准则,则单元内部可以直接按照满足屈服准则进行计算,而且可以加强应力面的自由度,从根本上解决低插值缺陷.
 
三、有限元极限分析法的应用
在计算滑坡强度折减数据时,可以通过该方法进行计算。假设有一均质突破,高为20m,粘聚力为41kPa,土容重γ=22kNPm3,内角度为18°,要求使用有限元极限分析法计算角度在β°(30、35、40、45、50)时的边坡安全系数与滑动面。通过ANSYS5.72进行计算,并且制作出有限元模型,采取两侧水平约束方法作为边界条件,设上部自由,下部固定。将其与传统方法进行对比,可以发现有限元极限分析法的计算准确率更加准确,尤其是强度折减系数的计算,准确率有较大提升。在计算平面应变时,使用莫尔-库仑屈服准则,并且配合非关联流动法则,可以看出最终计算结构与传统方法的计算结果的误差仅为5%,使用有限元极限分析方法,其准确率可以超过传统分析方法的30%左右。
 
四、结束语
在使用有限元极限分析法时,无需使用假定破坏即可完成计算。结合网格适应模式,可以自动计算出结构破坏形式,使计算精度得到有效提升。根据理想塑性理论,在建设模型时,可以通过塑性与刚性共同组成,而计算极限荷载误差时,主要以塑性区进行计算,这种方法与位移有限元分析法不同,可以满足极限网格细化要求。通过有限元极限分析法,可以提高岩土工程安全系数的计算准确率,为工程施工建设提供可靠保障。
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