基于ANSYS的滑坡变形数值模拟

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本文依托于973国家重点基础研究发展计划(课题号2013CB733200)对四川理县的滑坡监测项目,处理和分析了其监测数据,并基于ANSYS软件的结构静力分析,应用有限元方法完成滑坡的数值模拟并得到有限元模型的各参数与降雨量之间的关系。本文的主要研究内容、利用的方法及得到的成果有:该滑坡的监测点中,8002点在一年中N、E、U方向的位移量大小分别为44mm、180mm、73mm,8003点为82mm、262mm、119mm,8004点为67mm、448mm、133mm,变化方向为N、E、U的反向,高程越大位移量越大的特征,符合一般的滑坡规律。位移发生较大的时间集中在69月,每个月在东方向上的位移量与上个月的降雨量的相关系数达到0.830.86。利用有限元方法在ANSYS中实现了对滑坡体的三维模型的构建,对土体材料做了弹塑性的假设,选择D-P模型作为屈服条件,选择了弹塑性区域的弹性模量E、泊松比σ、粘聚力C、内摩擦角φ以及密度ρ作为材料常数。以月份为单位,利用ANSYS的结构静力分析模块,完成数值模拟,得到模型节点的位移。模拟前后边坡的几何形状的变化呈现出上大下小的特征,通过画出位移矢量图表明了滑坡运动的方向主要是指向学校的方向,且高程越大的地方位移量越大,并得到位移云图、应力应变分布等结果。通过计算模型中与监测点对应位置的位移量变化来检验模拟和实际情况的符合程度,两者E方向相关系数达到0.97以上,其他方向在0.75以上,E方向的误差绝对值的均值分别为2.88mm、2.48mm和4.51mm,误差百分比的均值分别为18%、10%和17%,模拟结果与监测结果较吻合,由此一定程度的证明了模型的可靠性和准确性。证实了降雨量会影响材料常数和边界条件的变化,从而间接的导致滑坡发生位移。具体来说,(1)土体在无降雨的或降雨非常小(10mm以下)时的自然状态时,E为45MPa,ρ为2100 kg·m-3,C为25kPa,φ为24°,此时最高监测点处在E方向的月位移量的变化范围为916mm;(2)当月降雨量在2080mm时,随着月降雨量的增大,弹性模量E、土壤密度ρ和内摩擦角φ逐渐减小,粘聚力C先增大后减小,最高监测点的位移变化范围是2053mm;(3)当月降雨量超过80mm时,其变化范围达到5077mm。同时降雨量的增加也导致了外载荷值的增大,这些因素导致了土体抗剪强度减小,导致滑移发生。
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