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midas gts NX三维边坡稳定分析


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Chapter 8. 三维边坡稳定分析

三维边坡稳定分析
Section 1
学习目的及概要
最近边坡稳定分析,可以利用数值分析具体体现接近实际的破坏形状并能够更好地反映现场条件的分析。但是,用只分析 边坡一面的二维分析,在对三维边坡响应的分析上具有局限性。二维分析和三维分析

的最大差别在于地表面及活动面的形 状、岩土物性的分布、活动面的强度等对边坡活动有影响的各单元的反映与否。因为在二维分析上几乎可以忽略的单元, 在三维分析上反映后分析,所以可以得到更现实的分析结果。即,通过三维边坡稳定分析考虑边坡活动幅度,掌握活动力 集中的位置并可以以此为中心建立施工办法的计划等。

1.1 学习目的

?建模概要图

通过本例题可以学习如下主要功能及分析方法。 ? ? ? ? ? 利用网格面生成地表面、地层面 网格生成 边坡稳定分析 分析结果 – 稳定率及最大剪应变形状 通过结果分析 – Clipping plane,对特定切面确认结果

Chapter 8. 三维边坡稳定分析 | 1

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Chapter 8.三维边坡稳定分析

1.2 模型及分析概要
本模型是由风化土和基岩组成的三维模型。在自然状态的旱季和雨季中,通过边坡的稳定性分析识别可能出现破坏的部分。

?剖面图

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Chapter 8. 三维边坡稳定分析

Section 2
设置分析条件

[启动附加的开始文件(08_3DSlope_start)。]

*
? ?

: 分析 > 分析工况 > 设置分析 (Analysis > Analysis Case > Setting) 设置模型种类、重力方向及初始变量。确认分析上适用的使用单位制。单位制可以在建模过程及确认分析结果 时修改,根据设置的单位制将自动换算参数。 本例题是把 Z 轴作为重力方向的三维形状,单位制使用 SI 单位(kN,m) 。

?设置分析条件

Chapter 8. 三维边坡稳定分析 | 3

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Chapter 8.三维边坡稳定分析

Section 3
定义材料及特性

3.1 定义岩土及结构材料
岩土的情况,定义为 Mohr-Coulomb 模型,各地层使用的材料如下表。 [单位 : kN, m]

? 表. 岩土材料

名称 模型类型 一般 弹性系数(E) 泊松比(v) 单位重量(r) Ko 多孔性材质 单位重量(饱和) 初始孔隙比(e0) 排水参数 非线性 粘着力(C) 摩擦角

基岩 Mohr-Coulomb 5.0E+06 0.25 23 1.0 23 0.5 排水 500 42

风化土 Mohr-Coulomb 1.0E+05 0.30 18 0.5 18 0.5 排水 10 19

?定义岩土材料-一般 ??定义岩土材料-多孔性材 质 ???定义岩土材料-非线性

3.2 定义特性
创建网格时,定义各网格组分配的特性。岩土特性的情况下,设置使用什么样的岩土材料就可以。 名称 种类 材料 4 | Chapter 8.三维边坡稳定分析 基岩 三维 基岩 风化土 三维 风化土

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Chapter 8. 三维边坡稳定分析 | 5

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Chapter 8.三维边坡稳定分析

Section 4
建模

本例题把重点集中在网格面上创建三维地层面,边坡稳定分析(SRM)及分析结果上,从基本的岩土材料特性输入的启动文 件开始学习。

4.1 建模几何形状

*

: 形状 >面和实体 >制作面 (Geometry > Surface & Solid > Make Face)

是从指定了地层和地形信息的坐标数据中创建面的过程。为了从地层面分割实体,创建略大于分割的实体区域的面。 ? ? ? ? ? ?
?创建面 ??网格面信息

在网格面表单上,M(X 方向个数)、N(Y 方向个数)分别输入 ‘50’, ‘50’ 。 原点 X、 Y 分别输入 ‘-10’, ‘-10’ 。 LX、LY 分别输入 ‘270’、‘270’ 。 点击高度后,选择引入地形信息的 3d_slope_terrain.txt 文件。 点击[OK]键后,点击[适用]键。 用同样的方法引入地形信息的 3d_slope_strata.txt 文件来形成地层面。

*
? ? ?

: 几何 > 曲面和实体 > 箱型 (Geometry > Surface & Solid > Box)

创建成为地基的六面体形状的实体。 角坐标输入 0, 0, 0。 长度、宽度、高度分别输入 ‘250’、‘250、‘250’。 形状组输入‘地基’后,点击 [确认]键。

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Chapter 8. 三维边坡稳定分析

*

: 几何 > 分割 > 实体 (Geometry > Divide > Solid)

把岩土实体按网格面创建的地表面和地层面分割。 ? ? ? ? ? ? 目标实体指定为‘岩土’实体。 选择辅助面后,选择过滤器修改为 ‘面(A)’ 。 辅助面选择在制作面上创建的地表面和地层面。 几何组选择岩土。 点击[确认] 键。 最上部的实体没有必要,因此利用 delete 键删除。

?分割实体 ??分割的实体

分割实体的辅助面必须等于或大于实体面积。满足不了这种情况时,实体可能会变成壳 (Shell)或复合形状 (Compound)。

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4.2 创建网格

*
? ? ? ? ? ? ? ?
?创建的网格

: 网格 > 生成 > 三维 (Mesh > Generate > 3D) 在自动-实体表单上,目标选择上部实体。 尺寸输入 ‘10’。 创建网格方式指定为 ‘混合网格生成器’。 勾选配选相邻面。 特性指定为 ‘2:风化土’,网格组名称输入 ‘风化土’。 点击>> 键,在高级选项上,勾选创建高阶单元后,点击[确认]键。 点击[适用]键,创建风化土网格。 用同样的方法创建对 ‘基岩’的网格。

网格作为把形状传递到有限元分析求解器上的手段,解的准确度主要在于网格的品质。一般尺寸越小、越 接近正多边形/正多面体形状越能得到好的结果,矩形 /六面体单元比三角形/四面体单元更好。但是,使用 三角形单元比使用不好的矩形单元更好。 在 GTS NX 上,为使能够提高形状的品质搭载了混合网格(六面体单元中心)功能,为了完成二维和三维 边坡稳定分析,使用 FEM 基础的强度减少法。 使用低阶单元的情况下,因为与高阶单元刚性相比计算的刚性相对大的特点,计算的安全系数会相对大。 因为这样的特性,强度减少法基础的边坡稳定分析,在使用高阶单元的情况下,虽然提供全优的结果,但 对于低阶单元则根据模型也可能得到有些不恰当的结果。 因此,在 GTS NX 中,在执行强度减少法基础的边坡稳定分析时,推荐必须使用高阶单元。

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Chapter 8. 三维边坡稳定分析

Section 5
设置分析

5.1. 设置荷载条件

*

: 静态 /边坡分析 > 荷载 > 自重 (Static/Slope Analysis > Load > Self Weight)

是设置自重的过程。岩土、结构构件上输入的单位重量乘以自动设置的重力加速度后自动计算。可以输入基于方向的比例 因子简单的设置,对重力方向设置了基本值。 ? ? ? 名称输入自重-1,荷载组输入 ‘自重’。 荷载成分输入重力加速度方向 Gz 上 scale factor 的 -1。 点击[确认] 键。

5.2 设置边界条件
: 静态 /边坡分析 > 边界条件 > 约束 (Static/Slope Analysis > Boundary > Constraint)

*
? ?

是以整体坐标系为准对模型内位移以及旋转设置约束条件的过程。根据整体坐标系方向对左 /右/下端部自动设置位移约束。 在自动表单上,输入名称和边界条件组名称。 点击[确认]键。 : 静态 /边坡分析 > 边界条件 > 水位 (Static/Slope Analysis > Water Level)

*

模拟地表面饱和的状态。在 GTS NX 上,对三维空间上的水位也可以按函数设置。 ? ? ? ? 在工作目录树 > 几何形状上,点击鼠标右键,点击[显示]。 在面表单上,目标面选择相应于地表面的面。 间距输入 ‘5’ 。 名称输入 ‘水位’后,点击[确认]键。

Chapter 8. 三维边坡稳定分析 | 9

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Chapter 8.三维边坡稳定分析

5.3 设置分析工况

*
? ? ? ? ? ? ? ?
?非线性分析选项

: 分析 > 分析工况 > 添加 (Analysis > Analysis Case > General)

是设置分析法和设置分析上使用的模型数据的过程。可以用高级选项控制分析及输出结果类型。 名称输入旱季。 分析种类选择 ‘边坡稳定分析(SRM)’。 在分析控制选项 > 边坡稳定(SRM) 表单上,在‘高级非线性参数’中,勾选 ‘弧长法(arc-length)’ 。 把所有网格和约束条件、荷载条件移动到激活数据栏上。 在控制结果选项上,输出类型勾选应变。 点击[适用]键。 用同样的方法也创建雨季的分析工况。 雨季时,在控制分析选项 > 一般表单上,勾选定义水位,水位值选择 ‘1’, 函数选择 ‘水位’ 。

?控制结果(勾选应变) ??控制分析(指定水位)

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Chapter 8. 三维边坡稳定分析

利用弧长法(Arc-length)的强度减少法和现有的强度减少法的最大差别在于把可成为强度减少标准的安全系 数增加或减少的方法。现有的强度减少法,是按用户指定的增量调整安全系数来计算下一个阶段的安全系 数,对非常稳定模型的情况和不稳定模型,没有语义的判断会一律地增加安全系数,执行非效率性的计 算。相反,如果使用弧长法,就会根据上一阶段收敛速度计算弧的长度,所以有可以得到更合适的安全系 数增量的优点。

<基于 Arc-length 的安全系数增减>

5.5 执行

*
?

: 分析 > 分析 > 实行 (Analysis > Analysis Case > Perform) 执行分析。

分析过程中发生的信息将在 Output Window 上显示。特别是发生 Warning 等的情况下,要注意分析结果有可能 不正确。 执行分析前将自动保存模型。对分析的信息将按 Text 文件格式用与 Save 文件同一的文件夹在 *.OUT 文件上保 存。 分析时输出结果可以在分析 > 分析工况 > 添加 > 控制结果项目上控制,输出选项 按二进制/文本设置输出选项的 情况下,分析后节点及单元结果将一起输出到*.OUT 文件上。

Chapter 8. 三维边坡稳定分析 | 11

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Chapter 8.三维边坡稳定分析

Section 6
创建分析结果及报告

分析以后在结果目录树上,可以确认变形、应力。所有结果将按轮廓、表、图形提供。在本例题上需要分析的主要项目如 下。 ? ? 安全系数/破坏形状 通过剪切面(Clipping plane)确认。

6.1 安全系数/破坏形状
如果执行强度减少法,在结果目录树上就能立即确认边坡的最小安全系数。 在输出安全系数的阶段上,可以按岩土的最大剪切应变(Max. Shear Strains)确认破坏形状。 ? 在工作目录树 > 结果 > 旱季 > 边坡稳定分析上,选择确认结果的阶段(出现最小安全系数的阶段) > Solid Strains > E-MAX SHEAR。
?最大剪切应变(旱季) ??最大剪切应变(雨季)

6.2 确认剪切面
三维模型的情况下,按特定面分割模型,可以在有关面上确认结果。在 GTS NX 上,可以按剪切面分割模型确认各切面上 的结果。 ? 在工作目录树 > 结果 > 旱季 > 边坡稳定分析上,选择确认结果的阶段 (出现最小安全系数的阶段 ) > Solid Strains > E-MAX SHEAR。 ? 在添加视图工具条上,选择剪切模型视图( 点击添加键,创建平面 1 的剪切面。
?剪切面 & 裁剪选项 ??剪切面 & 裁剪定义

)。在定义剪切面&裁剪上,平面方向输入 X、距离输入 125m 后

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Chapter 8. 三维边坡稳定分析

?
?破坏面 (旱季) ??破坏面(雨季)

取消勾选显示覆盖部分。按不连续面选择分析结果 > 一般 > 轮廓类型。

?
?多重破坏面(旱季) ??多重破坏面 (雨季)

在定义剪切面&裁剪上点击 “>>”键,通过指定多个的平面,可以轻松的确认边坡的特定位置上的破坏形状。

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