土坝施工变形模拟中ANSYS计算沉降失真问题的处理

刘忠民

（辽宁润中供水公司，辽宁沈阳110006）



土坝施工变形模拟中ANSYS计算沉降失真问题的处理

刘忠民

（辽宁润中供水公司，辽宁沈阳110006）

［摘 要］本文提出了土石坝施工分层填筑过程模拟中所出现的坝体沉降计算失真的问题，通过分析ANSYS软件计算机理发现了产生计算失真的原因，并提出了有效解决计算施工期竖向变形失真问题的两种方法。

［关键词］土石坝；变形计算；有限元；ANSYS；失真

专用软件对专业问题有实用方便的优点，但灵活性不够，往往用户难以具备所有需求的专用软件，应用通用的商用有限元软件及二次开发解决实际工程问题是一个可行的解决途径。目前，在土石坝的沉降计算模拟中，分层填筑模拟法已得到坝工界的普遍认同，但用ANSYS模拟土石坝施工分层填筑过程中，遇到了竖向变形的计算结果不符合工程的施工实际问题，为此，需要分析ANSYS软件的计算原理，研究解决方法，以便计算模拟成果更好为工程实际服务。

1　出现的问题

土石坝施工变形计算必须模拟坝体的施工过程，ANSYS软件提供了单元的生死控制来对应解决。建模时整体建立，包括基础和将施工的分层坝体，施加全部荷载和边界条件，求解前杀死除基础外的所有单元，计算采用牛顿-拉普森增量控制过程，各步分别激活相应施工层单元，从基础开始逐层求解。

如图1所示的抽象均质土坝的主要参数为：基础20 m深覆盖层，弹性模量6.0×107Pa，泊松比0.3，容重2 000 kg/m3，坝体高100 m，上下游边坡1.0∶2.5，坝体填筑材料弹性模量2.0×107Pa，泊松比0.36，容重1 800 kg/m3。

计算成果如图2和图3所示。坝体竖向应力分布符合一般规律，最大值为1.77 MPa；但是，竖向变形达2.83 m，最大施工变形在坝顶处，是不符合施工实际的，所以计算失真。

图1　抽象坝体模型

图2　坝体竖向应力

图3　坝体竖向变形

2　土坝变形计算失真问题的两种处理方法

坝体竖向施工期变形计算不符合是由于单元的生死机理造成的，这一点可由ANSYS的计算处理过程来说明。

静力问题有限元基本方程是：

式中：｛δ｝为位移向量；｛P｝为荷载向量；［K］是结构总体刚度矩阵，由各个单元的刚度矩阵集成。即：

对设置有生死单元控制的计算命令流，程序将有限元方程改写为：

当单元处于激活状态，ηe取1，当单元处于杀死状态，ηe取一个很小的数值，如10-8，让被杀死单元不影响处于激活状态单元系统的计算。同时，取消被杀死单元相应的荷载。

由此分析前面土石坝的计算，通过生死单元控制，有效地模仿了坝体的施工过程，应力成果是正确的，这是由于应力计算结果是各层荷载增量产生的应力增量叠加形成，应力增量与激活状态单元变形增量有关，处于杀死状态的变形总量对应力增量计算影响很小。对于变形计算，可以形象想象被杀死的单元就像弹性薄膜一样存在于整体结构模型中，不起作用，却跟随下面的施工层沉降，累计变形，出现上部很大变形数值。实际施工过程，各层的沉降是得到不断补填的，不控制的生死单元模拟施工是不合理的。

为了解决这个问题，可以减掉该层施工前的变形或是约束被杀死单元的节点两种方法。这样，各模拟层处于填筑设计高度，既不影响结构应力，又相当于考虑了施工影响。计算结果如图4，5所示。

图4　约束后坝体竖向应力

图5　约束后坝体竖向变形

是否约束将来施工层两种计算结果比较，竖向应力一致，最大应力值1.78 MPa，约束后坝体竖向施工变形处于内部，分布合理，最大值1.59 m。

另一方法减掉该层施工前的变形，记录无约束情况下坝体节点位移，各点位移减去单元激活前累计位移，与上述结果完全一致，坝顶中间节点连续10个施工层位移值为0.118，0.240，0.417，0.650，0.944，1.300，1.722，2.195，2.670，3.006。

坝顶施工期位移值为3.006-2.67=0.336 m，与前面的约束将来施工层算法结果相同。

通过前面计算结果可见，本文提出的减掉该层施工前的变形、约束被杀死单元的节点两种方法，解决了ANSYS模拟土石坝施工分层填筑过程中竖向变形计算结果不符合工程实际的问题，为有限元软件专业应用提供了一点借鉴。

为简化论述问题，文中土料采用线弹性模型，实际工程可采用邓肯-张非线性弹性模型，用APDL参数化设计语言编写宏命令，或者二次开发USRMAT材料子程序，与ANSYS主程序链接，直接调用用户生成的ANSYS.exe进行计算。

［参考文献］

［1］谢江红.土石坝静力有限元分析［J］.黑龙江科技信息，2010（15）.

［2］唐岷，陈群.分层填筑模拟的层数对300 m级高土石坝沉降量的影响［J］.水电站设计，2008（04）.

［3］王敏强，聂向珍.土（堆）石坝施工过程位移场有限元仿真分析［J］.武汉大学学报（工学版），2003（02）.

［4］费康，刘汉龙.ABAQUS的二次开发及在土石坝静、动力分析中的应用［J］.岩土力学，2010（03）.

［5］张占荣，盛谦，朱泽奇，杨艳霜.路堤沉降分析的修正分层总和法研究［J］.长江科学院院报，2010（03）.

［6］姜晨光，张玉杰，纪奎兴，彭建国，黄家兴.土石坝水平位移变形规律的监测与初步分析［J］.地矿测绘，2003（04）.

［7］刘仕顺，刘仰韶，吕建兵.深汕西高速公路浸水路段路基稳定性的评估［J］.广东公路交通，2005（03.）

［8］高辉，周孝平，张国新.面板堆石坝有限元分析的现状与展望［J］.广东水利水电，2003（01）.

［9］萧燕子.基于二次开发的土石坝数值仿真分析及防渗墙优化研究［D］.天津大学，2010.

［10］杨如钊.水利工程河谷地形有限元模拟［D］.清华大学，2010.

［11］刘艳.基于ANSYS的土坝加高应力变形有限元分析［D］.西北农林科技大学，2010.

［12］赵一新.深覆盖层地基高面板堆石坝应力变形动力有限元分析［D］.西安理工大学，2009.

［13］张永生.土体稳定性弹塑性大变形有限元分析［D］.哈尔滨工程大学，2005.

［14］曾攀，雷丽萍，方刚 .结构的建模与分析［M］.北京：机械工业出版社，2011，1.

［15］师访.ANSYS二次开发及应用实例详解［M］.北京：中国水利水电出版社，2012，1.

［中图分类号］TV641.2；TV698

［文献标识码］A

［文章编号］1002—0624（2016）07—0021—02

［收稿日期］2016-03-28