有限元模型利用有限元离心模型试验的可靠性
利用有限元分析离心模型试验的可靠性
梁地1张军辉1陈瑜1任龙2王奥克2
（1．长沙理工大学交通运输工程学院，湖南长沙410114；
2.中机国际工程设计研究院有限责任公司，湖南长沙410021）
【摘要】随着我国经济高速发展，机场建设作为一个非常重要组成部分，本文以广西河池机场项目为依托，项目主要研究机场高填方填石路堤自身稳定性控制技术，采用TLJ-150A大型离心机进行离心试验，运用现有离心模型试验的原理和基本理论，分析研究高填方填石路堤的自身沉降规律。
本文主要是以ANSYS有限元软件为媒介对现场路堤和离心模型试验路堤模型分别进行有限元计算在重力荷载下的自身沉降，用以验证离心模型试验在填石路堤沉降研究中可行性，为以后在工程实践中的应用提供新的理论依据。
【关键词】ANSYS；有限元；路堤；填石；离心试验FiniteElementAnalysisoftheReliabilityoftheCentrifugeModel
TestLIANGDiZHANGJun-huiCHENYuRENLongWANGAo -ke
（SchoolofTrafficandTransportationEngineering,Changsha UniversityofScience&Technology,ChangshaHunan410114）【Abstract】Withtherapideconomicdevelopment,theconstructionoftheair portisasaveryimportantpart,thearticlereliesontheGuangxiHe chiAirportprojecttoresearchthestabilitycontroltechnologyoft heAirportembankmentofrockhigh-fill,tousetheTLJ-150Alarg ecentrifugetomakethetestthatuseoftheexistingcentrifugemod eltestprinciplesandbasictheory,analysistheembankmentofhig h-fillsettlementlaw.ThisarticleismainlybasedonANSYSfinitee lementsoftwareasthemediaonthesceneembankmentandcentri fugemodeltestembankmentmodelfiniteelementcalculationofs edimentationundergravityloadtoverifycentrifugemodeltestst ostudythefeasibilityofStoneEmbankmentsettlement,toprovid eanewtheoreticalbasisinthefutureengineeringpractice. 【Keywords】ANSYS;Finiteelement;Embankments;Rockfill;Centrifugetes t
1工程概况
广西河池机场位于广西省河池市西北部南丹县八步村附近
见塘山与栋良山之间的山梁上，距南丹县城公路距离35km，距河池市直线距离35km，公路距离40km。
机场建设规模为：跑道长2200m，宽45m。
广西河池机场路堤属于典型的山区高填石路堤，填筑材料主要是利用附近山体开挖出产的煤矸石等岩石材料。
在角点处导数不连续的问题，另一方面也容易与库仑准则结合起来确定计算参数D-P屈服面表达式为：
F=姨2-αI1-k
2
2
（1）
式中:J2为第二偏应力不变量，J2=1[（σ1-σ2）+（σ1-σ3）+（σ2
-σ3）]；I1为第一应力不变量，I1=σ1+σ2+σ3；α和k可由表征材料凝聚强度C和摩擦角φ的屈服应力来确定，对于三轴压缩，α和k可表示为：
2
2ANSYS有限元分析原理[1]
在工程领域里，通过假设、简化，给出它们的数学模型，将问题归结为求解在给定边界条件或初始条件下的基本方程（常微分或偏微分方程）。
由于工程中复杂的几何形状、荷载和材料特性等问题，通常无法得到解析形式的数学解答，
利用数值方法进行近似求解。
有限单元法是通过用相互连接的有限小单元来模拟物体，通过联立每个单元的方程，建立方程组，可得到整个物体的解答。
ANSYS软件是一个融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的可在多数计算机及操作系统中运行的大型通用有限元分析软件之一，在道路结构分析中已经得到广泛的应用。
2sinφ（2）姨（3－sinφ）6Csinφ（3）k=
姨（3－sinφ）
根据式（1）即可绘制出D-P屈服面，它在主应力空间为一圆锥α=面。
当F0时表示材料已发生破坏，σ1、σ2、σ3处于屈服面外。
计算中填料本构模型选取
3填石路堤自身沉降分析基本假定
本文分析研究高填方填石路堤自身沉降规律时，提出如下假定：（1）土石料为各向同性连续介质；（2）岩土材料为理想弹塑性体；
（3）不考虑地基的沉降变形，认为地基在路堤荷载和自重的作用下已完成固结沉降变形；
（4）路堤填料的变形是在自重作用下产生的，而不考虑行车荷载及气候因素对其造成的影响；
（5）不考虑路堤填料土体固结及孔隙水压力的影响。
D-P准则，即假定填料为理想塑性材料,不产生硬化。
D-P准
则的材料常数包括粘聚力C、内摩擦角φ和膨胀角φf。
膨胀角φf用来控制体积膨胀的大小。
当φf=0时，材料不膨胀；当φf=φ时，材料则发生严重膨胀。
根据文献[3]，在有限元计算中，采用关联还是非关联法则，取决于剪胀角φf。
当φf=φ时为关联流动法则；当φf=0时，为非关联流动法则。
总体来说，采用非关联流动法则所得破坏荷载比同一类型材料而采用关联流动法则所得破坏荷载小。
本文假定膨胀角为零，即在变形过程中填料不发生体积的改变，亦即采用非相关联流动法则。
4．1.3高填方填石现场路堤材料参数
根据填石路堤材料D-P模型，通过大型三轴试验获得试验参数，见表1。
表1填料的有限元参数取值
4ANSYS有限元分析过程
4．1高填方填石现场路堤有限元分析4．1．1填石路堤有限元模型有限单元
本文采用四节点有限单元平面实体PLANE42分析单元，PLANE42单元可以用于建立2维实体结构模型，可用作平面应变分析单元，具有4个单元节点，每个节点有2个自由度。
4．1．2高填方填石路堤有限元材料模型
弹塑性破坏准则[2]研究理论与实际均表明，目前有限元分析中能较好地模拟混凝土、岩石和土壤等颗粒材料力学特性的
弹塑性破坏准则是Druker-Prager准则（简称D-P准则），它一方面克服了库仑准则
Table1
填料种类煤矸石
Thefiniteelementparametersoffiller
C/kPa15.6
φ/°39.1
E/MPa42.55
μ0.3
干密度(kg/m3)
2010
4．1.4现场路堤断面尺寸为：路基顶宽160m，边坡坡度为1:2，填高为30m。
4．1.5运用ANSYS软件对路堤进行建模。
作者简介：梁地（1987—），男，湖南岳阳人，硕士。
214。