ANSYS土工结构计算案例ANSYS－CHINA广州办事处2019年6月24日目录计算题目及计算要求说明 (1)题目一 (4)一、计算说明 (4)二、计算所用ANSYS邓肯－张的E－B模型说明 (5)三、计算有限元模型及计算结果 (6)题目二 (7)一、用三维有限元模型计算 (7)二、用三维有限元模型计算 (8)题目三 (10)一、计算说明 (10)二、计算有限元模型及边界条件 (10)三、强夯地基固结计算 (10)题目四 (17)一、计算说明 (17)二、计算几何模型和有限元模型 (17)三、计算结果 (18)1、计算边界条件 (18)2、计算结果 (19)3、结论 (20)计算题目及计算要求说明题目一：高桩码头桩基与岸坡相互作用的线性有限元和非线性有线元分析题目二：大圆筒结构、波浪与地基的相互作用分析（大圆筒作为重力式码头结构，波浪为水平动荷载，门吊为竖向动荷载，地基为三层以上地基包括自抛碎石垫层、粘土层、粉细砂层和岩层，粉细砂层可能在波浪动荷载作用下液化造成圆筒倾覆）题目三：（冲击荷载下）强夯地基固结有限元分析（提供固结方程或固结方程处理方案，孔隙水压力消散计算方案、沉降计算方案及其他一些处理技巧）题目四：在降雨情况下土工格栅加筋土挡墙边坡上公路稳定分析（由上至下为公路面层，垫层，挡墙，挡墙面板采用预制混凝土块0.6⨯0.6⨯0.6m3，混凝土后方为钩挂式土工格栅，边坡比较陡，边坡有一定排水特性）。

具体处理方案包括：1、提供计算输入界面2、计算模型或采用本构情况3、前处理方案及网格划分技巧4、特殊材料或模型嵌入技术5、计算技巧及解决方案6、后处理提供内容具体报价方案包括：进行简单报价，涉及以上题目的各模块的综合报价（包括前后处理及解决以上问题的结构与岩土问题的模块报价. 能用通用模块计算尽量用通用模块,必须用CivilFEM模块计算的请注明.提供解决方案时间：2005年5月18日之前。

题目一高桩码头桩基与岸坡相互作用的线性有限元和非线性有线元分析一、计算说明高桩码头桩基与岸坡相互作用的线性有限元和非线性有线元分析，可以用空间有限元模型或平面有限元模型数值求解。

空间有限元模型如图1-1所示。

考虑到岸坡主要是平面问题，为了节省单元，可以只取四榀排架建立空间模型，并以中间两个排架的受力情况作为整个码头段的桩的受力标准。

横梁可用梁单元或体单元，桩可用梁单元或壳单元或体单元，地基土可用体单元，桩土之间可加面－面接触单元Targe170和contal174以模拟桩土之间的相互作用。

梁和桩作为线弹性材料，土可作为D－P材料按弹塑性分析或可用E－B材料以作非线性弹性分析。

图1-1高桩码头桩基与岸坡相互作用空间有限元模型平面有限元模型如图1-2所示。

计算模型宽度在码头前沿以前和后方堆场可各取码头宽的2.5倍，计算模型深度可从码头面到桩端以下5～10米。

横梁和桩可用梁单元或平面单元，其模量和尺寸可按相似原理进行换算。

不管空间还是平面模型，在计算模型范围内的原状土，自重引起的应力场应按初始应力场考虑，ANSYS提供了初应力计算的功能，解决初应力问题非常方便。

二、计算所用ANSYS 邓肯－张的E －B 模型说明本算例是一个高桩码头桩基与岸坡相互作用的线性有限元和非线性有线元分析，是一个平面计算的例子。

本例的土体用邓肯－张的E －B 模型模拟。

E －B 模型为非线性弹性模型，土的应力应变关系为双曲线，如图1-3所示。

切线变形模量为t E 。

23313sin 2cos 2)sin 1)((1⎥⎦⎤⎢⎣⎡+---⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=ϕσϕϕσσσc R pKp E f naa t（1－1）切线泊松比μ按下式确定：)21(3μ-=tE B（1－2）m aa b p p K B )(3σ= （1－3）式中，K 、n —试验常数；a p —大气压；B —体变模量；m —应力指数；1σ、3σ—大小主应力；b K —体积模量系数； f R －破坏比；c 、ϕ－凝聚力和内摩擦角。

图1-3 土的应力应变关系上述非线性弹性问题的有限元求解方法，可用增量法或迭代法。

本例选用迭代法求解。

ANSYS提供参数化设计语言APDL，可以方便用于按参数建模，也可以用来扩展有限元的分析能力，创建各种控制方案。

另外，ANSYS的命令流也可以有效控制和实现很多求解过程和求解方案。

本例结合ANSYS参数化设计语言及ANSYS邓肯－张的E－B模型来实现。

三、计算有限元模型及计算结果图1-4为计算有限元模型，全用采用ANSYS自动四边形网格功能来划分，从而保证了较高的计算精度。

图1-4 高桩码头桩基与岸坡相互作用计算元模型图1-5 高桩码头桩基与岸坡相互作用变形图题目二大圆筒结构、波浪与地基的相互作用分析一、用三维有限元模型计算大圆筒在外荷载（包括动荷载）作用下和地基相互作用问题，可按空间问题求解。

现以大圆筒在振动下沉时的动力分析为例阐述如下。

大圆筒求解有限元模型如图2-1所示。

用六面体等参元模拟土基础，用曲面壳体单元模拟钢圆筒，用梁单元模拟钢圆筒柱壳上的纵横向加强肋，在大圆筒和基土之间设置接触面单元以模拟筒体和地基的相互作用。

对瞬时动荷载采用时程积分的方法，将一个周期的荷载分为足够多个时间步（比如300步）进行求解。

图2-2所示为大圆筒下沉到十六米时在T＝11.5秒时的竖向应力云图。

图2-1 大圆筒有限元模型图2-2 大圆筒下沉到十六米时在T＝11.5秒时的竖向应力云图大圆筒在侧向荷载（如波浪力）作用下的倾复问题也可用上述空间模型求解。

在侧向荷载作用下，达到一定程度时，圆筒和土体之间的接触单元会反映出筒体和土体间的分离现象。

二、用三维有限元模型计算参考日本规范，大圆筒的位移和倾复问题，也可以用平面方法按如下模型求解。

纵向取单宽按平面问题计算，横向宽度B可按纵向单元长度内面积相等的原则确定。

墙后土压力按假想平面和库仑极限主动土压力计算，侧向摩阻力由主动土压力和土与墙背间摩擦角 计算确定。

墙前水平土抗力通过设置非线性弹簧元经非线性迭代计算确定。

筒底地基反力通过设置筒底竖向弹簧元经计算确定；筒底基土的剪切反力，通过设置筒底水平向弹簧元计算确定，根据上述假定，在ANSYS上建立有限元模型如图2-3。

图2-3经非线性迭代计算，得到土抗力和地基反力如图2-4所示。

图2-4位移图见图2-5，最大位移DMX＝10.7688cm。

各关键点的位移如表一。

图2-5 位移云图题目三（冲击荷载下）强夯地基固结有限元分析（提供固结方程或固结方程处理方案，孔隙水压力消散计算方案、沉降计算方案及其他一些处理技巧）一、计算说明本题目对强夯地基固结进行有限元分析，可采用ANSYS－STRUCTURE分析模块来完成。

二、计算有限元模型及边界条件图3－1 有限元模型及模型尺寸图3－2 冲击荷载加载图三、强夯地基固结计算图3－3 冲击荷载作用下的变形图图3－4冲击荷载作用下的等效应力云图根据Skempton 土力学计算公式，每一个荷载增量导致的孔隙水压力的增量可用式(3-1)表示： )]([313σσσ∆-∆+∆=∆A B u , 3/1 1==A B ，(3-1)根据上式(3-1)，采用ANSYS 可计算得到动载作用下孔隙水压力增量。

图3-5 动荷载末时的孔隙水压力增量u ∆云图图3－6 动荷载末时的孔隙水压力增量u ∆云图由式：u gh u u u ∆+=∆+=ρ0（3－2）可计算得到孔隙水压力的分布，如下图所示。

图3－7 动荷载末时的孔隙水压力u 云图孔隙水压力与水头的关系可用式（3－3）表示，图3－8为冲击荷载作用末时水头分布云图。

y uh w+-=γ （3－3）图3－8 冲击载荷末时水头h图3－10 1天后各点水头分布图3－11 4天后各点水头分布图3－12 5天后各点水头分布图3－13 10天后各点水头分布图3－14 20天后各点水头分布图3－15 30天后各点水头分布图3－16 50天后各点水头分布图3－17 60天后各点水头分布图3－18 65天后各点水头分布图3－19 100天后各点水头分布为了得到在冲击载荷作用下孔隙水压力的消散过程，如图3－21～图3－23所示分别画出了图3－20所示3个点的孔隙水压力u随时间的变化曲线。

图3－20 孔隙水压力u消散过程三个监控点位置图3－21 第1个监控点孔隙水压力u随时间的消散过程图3－22 第2个监控点孔隙水压力u随时间的消散过程图3－23 第3个监控点孔隙水压力u随时间的消散过程题目四：在降雨情况下土工格栅加筋土挡墙边坡上公路稳定分析（由上至下为公路面层，垫层，挡墙，挡墙面板采用预制混凝土块0.6⨯0.6⨯0.6m3，混凝土后方为钩挂式土工格栅，边坡比较陡，边坡有一定排水特性）。

一、计算说明题目四是一渗流－结构耦合计算问题。

而ANSYS具有功能强大的渗流－结构耦合计算功能。

下面是针对题目四，采用ANSYS所完成的：在降雨情况下土工格栅加筋土挡墙边坡上公路稳定分析。

二、计算几何模型和有限元模型以下各图分别是计算模型及有关尺寸、材料的说明图4-1 计算几何模型图4-2 计算模型尺寸及有关材料图4-3 渗流－结构耦合计算有限元模型该坝体结构共有六种材料，上图4-3中分别用不同颜色表示结构不同的材料。

三、计算结果1、计算边界条件图4-4 渗流－结构耦合计算有限元模型以上是边坡路基在降雨情况下稳定分析边界条件说明。

除了考虑降雨，同时路基两侧考虑了10m常水头的作用。

2、计算结果下雨情况下压力水头等值云图下雨情况下孔隙水压力下雨情况下结构等效应力云图同时，为了对下雨和无雨情况下边坡路基的稳定性进行对比，下面是无雨情况下的稳定性分析结果。

可以明显看出，结构在无雨情况下结构等效应力较大，具有较大的稳定性。

无下雨情况下结构等效应力云图3、结论本算例采用ANSYS渗流和结构耦合分析功能对一边坡路基进行了稳定分析。

算例表明，这种方法计算准确，速度快，可用于各种任意复杂的二、三维结构的渗流场分析，同时可将渗流计算孔隙水压力用于结构稳定性分析。