rocscience_Phase2开挖和边坡有限元分析
基于phase2的基坑有限元分析
基于phase2有限元软件的基坑变形分析—以杭州蔓特莉工程为例1工程概况：杭州曼特莉时尚广场工程位于杭州余杭区良渚镇金家渡村，北侧紧靠浙江省交通学院运动场，东侧为金家渡村道（大吉路）及厂房，南侧为已有建筑物及空地，在往南为金家渡中路，西侧金家渡村农居点及菜地。
项目总用地面积12390m2，总建筑面积约55000m2，拟建工程由1幢主体12层局部4层商业办公楼，下设2层地下室。
采用框架-剪力墙结构，工程采用钻孔灌注桩基础。
基坑工程设地下室二层，基坑主楼区承台开挖深度11.000～11.250m，坑中坑深度 1.600～3.300m。
平面图如图：1.1地质条件：1.2基坑支护方案：基坑地下室采用围护桩墙结合两道水平钢筋混凝土内支撑的结构形式支护，支撑截面为700mm×700mm基坑南侧增设坑底水泥搅拌桩被动区加固。
围护桩墙采用三轴强力水泥搅拌桩（Φ850@600按全断面套孔法施工）帷幕植入预制预应力钢筋混凝土工字形桩而成，利用强力搅拌松动土形成流塑状，再植入预制工字形桩，桩长为17m，插入深度为7.5m。
2模型分析：2.1建立模型基坑支护形式如右图：参照设计支护形式，本模型在取围护桩左部边界取30米范围，下部边界取围护桩底以下10m的范围，右边界取围护桩右侧7m范围（支撑长度的一般距离），第一根内支撑设在桩顶以下0.35m处，第二道支撑设在桩顶以下6.35m处。
支护样图2.2模型参数取值：模型计算采用摩尔-库伦理论，为了方便计算，水泥搅拌桩内插工字桩所形成的围护桩按照∅800mm的钻孔灌注桩，模量取3×104MPa，泊松比取0.2，两个内支撑截面为700mm×700mm，模量取3×104MPa，泊松比取0.2。
模型网格划分如图：2.3模型计算为了使支护方案有一定的对比性，除了模拟帯支撑的开挖变形，还对没有支撑的情况进行了开挖模拟。
2.3.1开挖第一阶段模型计算无支撑开挖一阶段变形一道支撑一阶段开挖变形由于开挖第一阶段比较浅，变形不明显，直接对第二阶段开挖进行模型计算，上图显示无支撑开挖基坑的变形和带支撑的开挖变形有明显的不同。
rocscienceSlide二维边坡稳定分析
超孔隙水压力
当需考虑在不排水情况下由于瞬时加载作用对孔压的增长效应，则需要
使用B-bar系数。
单一水位线
水位线和压力线
孔隙压力网格
总水头网格
灵敏度分析
灵敏度分析作用是确定输入变量的灵敏度； 通过每次只改变一个变量值实现。
概率分析
参数的不确定性 变量 变量 1.土体材料
Groundwater
Mesh → Mesh Setup
Mesh → Set Boundary Conditions
Properties
Define Hydraulic Properties
Analysis Compute (Groundwater) Interpret (Groundwater) 流动矢量图（Flow Vectors）
水位线窗口
压力线
用于孔压计算，一个模型最多可有二十 条压力线，不同的材料区域可使用不同 的压力线 用于定义拉裂区域，一个模型只允许定 义一条拉裂线
张拉裂缝
Tip：Slide允许导入.dxf格式的cad文件。
外载荷定义
分布荷载 集中荷载 地震荷载
荷载菜单
集中荷载菜单
分布荷载菜单
地震荷载菜单
地下水设置窗口
有限元法计算
水位线与压力线的区别：
水位线与压力线两种方法计算孔压是相同的 压力线不能产生积水荷载； 水位线允许用户定义不同的重度在水位线上下，压力线则不可以； 水位线可以与孔压网格联合使用，压力线则不可以。
Tip： 水位线为孔压计算定义自由液面，一个模型中只能定义一条水位线。如果定义了
分布荷载
集中荷载
地震荷载
边坡动力稳定有限元分析方法的研究和探索
边坡动力稳定有限元分析方法的研究和探索摘要：本文介绍了边坡在地震作用下的稳定分析方法，通过对边坡进行有限元动力反应分析，然后根据每个时段的加速度分布，做强度折减运算来求得各个时段的安全系数，从而得出在地震过程中的安全系数随时间的变化曲线，以此判断边坡的稳定情况。
关键词：边坡稳定动力反应安全系数地震作用一、引言目前，在地震作用下，考虑土体实际应力应变关系的有限元应力分析已经十分普遍，但是，评价边坡稳定性主要是应用以极限平衡为基础的圆弧法，就是在已知的应力场中，假设初始滑裂面，通过数学规划法搜索最危险滑裂面。
这种方法不能充分考虑滑坡体的抗滑潜能，也不能充分反映滑体的滑动方向，安全系数偏大。
因此，本文通过地震作用下加速度的反应来分析，应用强度折减法[1]来评价边坡的稳定性。
二、动力稳定分析方法简述进行动力稳定分析的基础是进行有限元静动力分析。
（1）首先对边坡进行有限元静力分析。
（2）把地震过程分为若干时段，求得各时段的最大加速度反应分布情况。
（3）把各时段的动力作用看作惯性力进行强度折减分析，以求出该时段内的安全系。
（4）依次求出各个时段的安全系数，就可以看出地震作用下，安全系数的变化情况，以此来判断边坡的稳定性。
三、算例分析一均质土坝，坡比为1:1.4，容重γ=20kN/m3，粘聚力c=30kPa，内摩擦角Φ=40o，杨氏模量E=20MPa, 泊松比υ=0.3。
1.有限元静力分析：土石料的本构模型选用邓肯-张的E-B模型，该模型为非线性弹性模型[2]，是土石坝计算中的常用的本构模型：切线弹模：（1）初始切线模量：(2)回弹模量：(3)应力水平：(4)破坏比：(5)加荷函数：(6)当大于历史上最大值时为加荷，否则为卸荷或再加荷。
计算模拟了大坝施工过程中各阶段应力和变形的情况，较好地体现材料的非线性影响，采用分级加载的方式。
2.有限元动力分析：动力计算采用等价非线性粘弹性[3]模型：根据选定的初始剪切模量G0及初始阻尼比0，运用Newmark逐步积分法计算土体的动力反应，以此确定各土体单元的有效应变eff (通常取为最大剪应变max的0.65倍)；然后根据试验得到的土料G/Gmax-与-经验曲线，估计与当前特征应变水平eff相应的动力参数Gt与t，进而再次进行计算分析，如此类推不断迭代直至所选用的动力参数与所取得的有效应变相协调，最终计算结果作为土体非线性响应，得出在各个时段内的动力反应量。
有限元极限分析法在边坡中的应用
非对称楔形体模型 非对称楔形体计算 等效塑性应变图
有限元强度折减法安全系数为1.60， 用理正岩土系列软件计算安全系数为1.636。 两者的计算误差为2.2%。
5、边坡分类举例 可视、动态、定量
一 级 二级 分 分类 类
土质
类 边坡
均 质 边 坡
碎裂 散体 岩石
边坡
变形破坏特征
旋转滑动 Ｆ=1.016
一、有限元极限分析法
经典极限分析法适用工程设计 但需要事先知道破坏面，适应性差
有限元法适应性广,但无法算 安全系数 有限元极限分析法,既适用于工程 设计,且适应性广
特别适用于岩土工程设计 （边(滑)坡、地基、隧道）
1、有限元极限分析法的原理 安全系数定义 强度储备安全系数
抗滑力 Fs 下滑力
9米 1.17
11米 1.19
桩长: 15米 17米 安全系数:1.19 1.19
19米 1.23
桩长: 21米 23米 安全系数:1.25 1.29
25米 1.34
合理桩长: 桩长安全系数大于设计安全系数
----------------------------------------------------------
1.55 1.41 1.30 1.20 1.12 0.01 0.01 0.01 0.01 0.00
二、有限元极限分析法在岩石边坡 中的应用
1、具有两组平行节理面的岩质边坡
两组方向不同的节理，第一组软弱结构面倾 角30度，第二组软弱结构面倾角75度.
计算结果
计算方法 有限元法
安全系数 1.18
极限平衡方法 (Spencer ）
云阳分界梁隧道出口段滑坡
1、工程概况 两条隧道通过滑坡地段
rocscience-Slide二维边坡稳定分析
设定边界条件和材料参数
边界条件
设定边坡的底部边界条件，如固定或自由边界，以及侧向边界条 件，如水平位移限制等。
材料参数
输入各材料层的物理力学参数，如重度、内聚力、内摩擦角、渗 透性等。
水文条件
考虑地下水对边坡稳定性的影响，设定地下水位、渗透系数等水 文参数。
运行分析和查看结果
运行分析
根据所选择的分析方法和设定的参数，运行rocscience-Slide程序进行分析。
rocscience-Slide具有直观的用 户界面和强大的后处理功能，方 便用户进行数据处理和结果展示
。
功能特点
自定义材料参数
用户可以根据需要自定义材料的物理力学 参数，如重度、内聚力、内摩擦角等。
多种分析方法
rocscience-Slide提供多种边坡稳定 性分析方法，用户可根据实际情况 选择合适的方法进行分析。
定义材料层
在边坡剖面中，定义不同 材料层，包括土壤、岩石 等，并设置各层的物理力 学参数。
选择分析方法
极限平衡法
采用极限平衡原理，通过搜索最危险滑动面，计 算边坡的安全系数和潜在滑动面。
有限元法
利用有限元方法，对边坡进行应力应变分析，评 估边坡的稳定性。
边界元法
应用边界元技பைடு நூலகம்，解决边坡稳定分析的边界值问 题，提高计算效率。
案例三：边坡加固设计分析
边坡描述
本案例涉及一个已经发 生滑动的边坡，需要进 行加固设计以防止进一 步滑动。
加固措施
采用抗滑桩和预应力锚 索进行加固，抗滑桩间 距5米，锚索长度20米 。
分析结果
加固后计算得到的安全 系数为1.5，表明加固措 施有效地提高了边坡的 稳定性。
边坡稳定有限元分析
边坡稳定有限元分析本例将演示如何使用有限元方法分析边坡稳定性并计算其安全系数。
任务首先，分析无超载作用下的边坡稳定性，然后分析在大小为q=35.0kN/m2的条形超载作用下的边坡稳定性，最后为边坡施加预应力锚杆，并分析其稳定性。
边坡的几何尺寸（包括各点的坐标）如下图所示。
图25.1 边坡几何尺寸（多段线上各点的坐标）土层剖面包含两种类型的土，其参数如下：表25.1 岩土材料参数列表计算我们使用“GEO5岩土工程有限元分析计算模块”（以下简称“有限元模块”）（v18版）来分析该问题。
下面为建模和分析步骤：-建模阶段：分析设置和几何建模-工况阶段[1]：分析边坡无超载作用时的稳定性-工况阶段[2]：分析加入超载后边坡的稳定性-工况阶段[3]：分析加入锚杆后边坡的稳定性-结论建模阶段：分析设置和几何建模在分析设置界面中设置“分析类型”为“边坡稳定分析”，保持其他选项不变。
图25.2 【分析设置】界面注：选择“边坡稳定分析”时和选择“应力应变分析”时的设置以及建模过程几乎完全一样。
在【分析】界面点击“开始分析”按钮即可以分析并计算边坡的安全系数。
在“有限元-边坡稳定分析”模块中，各个工况阶段之间是相互独立的，即当前工况阶段的分析结果不受上一工况阶段分析结果的影响。
下一步，设置全局坐标范围。
设置的坐标范围要足够大，这样才能使得所要分析的区域不受边界条件的影响。
对于该算例，设置全局坐标范围<0m, 40m>，设置底边界距离多段线最低点距离为10m。
设置各个多段线和土层剖面，其参数如下表所示。
图25.3 全局坐标对话框表25.2各多段线及其节点的坐标列表设置各个岩土材料的参数并将其指定到相应的分区。
在本算例中，我们选择Drucker-Prager（DP）模型（见注）。
设置两种岩土材料的剪胀角ψ均为0°，即当材料受到剪力作用时，其体积不发生改变。
注：分析边坡稳定性时，必须选择非线性弹塑性模型作为岩土材料的本构模型，因为在边坡稳定分析过程中岩土材料会产生塑性应变，且塑性应变的产生是和岩土材料的强度参数c和φ相关的。
Rocscience Phase2 介绍PPT
Simulating inspires innovation
Phase
2
Phase2 7.0 is a powerful 2D elasto-plastic finite element stress analysis program for underground or surface excavations in rock or soil. It can be used for a wide range of engineering projects and includes support design, finite element slope stability and groundwater seepage analysis. 特点： ̶ 轻松、快速实现复杂多工况 步模拟分析 ̶ 丰富的支护结构类型 ̶ 基于强度折减法的边坡稳定 性分析 ̶ 地下水稳态渗流分析 ̶ 全面的岩土体本构模型 ̶ 多种初始地应力场定义方法 ̶ •••
仿 真 智 领 创 新
Simulating inspires innovation
网格剖分—Mesh
Discretize – Before the mesh is generated the boundaries must first be Discretized. This process subdivides the boundary line segments into discretizations which will form the framework of the finite element mesh Mesh – After discretizing, the finite element mesh can be generated. The mesh is based on the discretization of the boundaries, and the mesh and element types selected in the Mesh Setup dialog. Discretize and Mesh Customizing the Mesh – Several different options are available for customizing the mesh, which give the user complete control over the discretization and meshing. This includes the following options: Mapped Meshing Mesh Quality – The options in the Mesh Quality sub-menu allow you to check the quality of the mesh, and highlight problem areas which may need custom discretization or editing of boundaries to avoid poor quality elements (i.e. long thin elements which can lead to numerical problems).
专业的岩土工程分析工具——Rocscience系列软件介绍
专业的岩土工程分析工具——Rocscience系列软件Rocscience公司成立于1996年，总部设在加拿大多伦多市，公司致力于开发易于使用、稳定可靠的二维和三维岩土工程分析和设计软件。
提供高品质的岩土分析工具，能够快速、准确的对地表和地下的岩土工程结构进行分析，从而提高项目的安全性和降低设计成本。
Rocscience 岩土系列软件的开发者理解岩土工程师们所面临的挑战，软件的所有研发工程师们本身也都是具备岩土工程及力学背景的专业工程师，大部分拥有岩土专业的博士学位，并有多年的现场实践经验。
我们的软件开发基于领先前沿的研究成果，帮助用户更快、更精确地完成项目。
同时，Rocscience重视来自用户的反馈，聆听用户对于软件的功能需求，促进软件功能更为强大，不断向前发展。
Rocscience 岩土系列软件在国内外岩石力学、隧道、边坡、矿业工程、水利水电工程、市政工程、地质灾害评估、安全评价领域得到了非常好的应用。
我们的用户包括岩土咨询公司、大型工程公司、矿业公司以及世界各地的政府机构和大学等研究机构的师生。
Rocscience 公司目前已与160所大学建立了合作关系，使得Rocscience岩土系列软件成为高校师生的教学工具。
Rocscience岩土系列软件包含以下十二款专业分析软件：Slide 边坡稳定性分析软件Phase2开挖和边坡稳定分析软件Swedge 岩质边坡三维楔体稳定性分析软件RocPlane 岩质边坡平面滑动稳定分析软件RocTopple 岩质边坡倾倒破坏分析软件Examine3D三维地下工程开挖分析软件Unwedge 地下岩体硐室开挖稳定性分析软件RocSupport 软岩开挖支护体系评价软件Settle3D 三维沉降固结分析软件RocFall 落石统计分析软件Dips 地质方位数据图解和统计分析软件RocData 岩石、土和不连续强度分析软件一、Slide 边坡稳定分析性软件（2D Limit Equilibrium Slope Stability Analysis）Slide是一款功能全面的边坡稳定分析软件，能够分析所有类型的土质和岩质、天然或人工边坡、路堤、坝体、挡土墙等，能够进行水位骤降分析、参数敏感性分析和边坡失效概率分析以及支护设计。
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丰富的材料本构模型，弹塑性模型包括： Hoek-Brown、Mohr-Coulomb、 Drucker-Prager、
111Cam-Clay等，弹性模型包括：各向同性、横观各向同性、正交各向同性等； 全面的支护结构类型：锚杆（端承型、全长锚固、分离式、钢绞索、自定义）、衬砌、
多 挡土墙、桩、土钉、挡土墙等；
Voronoi
Parallel Deterministic
Parallel Statistical
Cross Jointed
Baecher
Veneziano
Voronoi
文件输出及分析
输出内容包括： 输出EXCEL 复制到剪贴板 EX CE L 输 出
信息视图
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信 息 视 图
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地下水渗流 Zero Vertical Pressure 边界条件 Infiltration
(P=0) Nodal Flow Rate (Q)
Normal Infiltration (q) (q)
定义材料渗透系数对话框
内置材料渗透系数对话框
Phase2内置渗透模型： Brooks and Corey Fredlund and Xing Gardner Van Genuchten Simple
锚 杆 分 布 形 式
锚杆属性对话框
锚索属性对话框及膨胀率定义
离 散 装 置 属 性 对 话 框 回 接 螺 栓 属 性 对 话
Phase2中内置的衬砌支护功能齐全，
主要类型有： 简单衬砌（单层喷射混凝土） 复合衬砌（多层材料组成） 桩墙 土工合成材料 钢筋混凝土 缆索桁架 框架支撑
重力应力场算法 Sv = gamma*H Sh = L + K*Sv where Sv = Vertical stress Sh = Horizontal stress L = Locked-in stress (horizoontal stress at ground surface) K = Horizontal stress ratio gamma = average unit weight of the soil/rock H = depth of element center below ground surface
111层复合衬砌、土工布、钢拱架、
有限元地下水渗流分析，且孔隙水压力结果自动耦合到应力分析中； 弹性或非线性联结； 恒定或重力的远端应力场； 分析结果的图形显示和输出； AutoCAD、DXF文件的导入和导出。
模型
Phase2模型几何由边界类型定义而来， 边界类型主要有：
外部边界 开挖边界
不同强度折减系数下的边坡破坏区域
水坝左侧SSR法区域搜索
水坝左侧SSR法区域搜索结果
节理与节理网络
节理边界与隧道相交 节理的表现形式有： 岩体不连续结构面 岩体与支护接触面
岩体中的滑面
节 理 剪 切 应 力
节 理 法 向 应 力
屈 服 节 理
根据统计或确定性模型，节理网络包括： Parallel Deterministic Parallel Statistical Cross Jointed Baecher Veneziano 几种不同节理网络
材料模型
Mohr-Coulomb Hoek-Brown (original criterion) Generalized Hoek-Brown Drucker-Prager Cam-Clay Modified Cam-Clay Duncan-Chang Hyperbolic 强 度 模 型 弹 性 模 型 Transversely Isotropic Isotropic
v H
u h H 1 u
其中 u-泊松比 K=u/1-u（测压系数）
荷载类型
分布 荷载
积水 荷载
衬砌 力矩
荷载 类型
弹簧 荷载 地震 荷载
集中 荷载
平均分布
地表均布荷载
三角分布
积水荷载 地 震 荷 载
集中荷载
弹簧荷载 衬 砌 力 矩
边坡稳定有限元分析
Phase2一个最为突出的特点就是应用有限元剪切强度折减法计算边坡稳定性。 相对于传统的极限平衡法， SSR算法有很多的优势，SSR不必要假设边坡的 形状以及滑面的位置。
浅地表开挖设计和计算。
广泛应用于支护分析、有限元边坡稳定分析、地下水渗流分析 以及概率分析 最新V8.0版本
Phase2主界面
文件菜单
视图菜单
分析菜单
边界菜单
网格菜单
荷载菜单
变形菜单
支护菜单
地下水菜单
属性菜单
功能特点
三角形、四边形等有限网格的自动生成； 平面应变、轴对称开挖问题分析，开挖过程可多达50步；
Orthotropic
定义水力性质 水压力线法 有限元法
地下水分析 地下水模型
有限元 渗流分 析
水压 力线
水压力 网格
Ru值
Phase2中地下水包括稳态、饱和-非饱和有限元分析，并集成了应力分析。
流迹线及总水头等值线
围坝渗流分析
None / Remove BC
Total Head (H) Unknown (P=0 or Q=0)
单 层 衬 砌
复 合 衬 砌
土工格栅支护
框架支护
桩墙支护
分 步 安 装 复 合 衬 砌 支 护
轴 向 应 力 及 屈 服 衬 砌
隧 道 走 向 轴 向 应 力
弯 曲 力 矩 及 屈 服中应力场有两种类型，即：
常量应力场
重力应力场 常量应力场 常量应力场对话框
Phase2中提供自定义网格 划分包括的主要内容有： 离散自定义 高级离散方式 增加离散密度 增加网格密度
离散自定义对话框
高级离散对话框
映射网格
网 格 加 密 对 比
网格划分质量是保证计算精度的必要前提。 Phase2可以自定义“劣质”网格。
网格 质量 定义 窗口
劣 质 网 格
网格 质量 统计
无 效 网 格
材料边界
分步边界 节理边界 结构面 压力面
网格划分
网格类型： 梯度型（ Graded ） 均布型（ Uniform ） 放射型（ Radial ） 梯 度 型
均 布 型
放 射 型
网格单元类型（如图）： 三节点三角形（3-noded triangle） 六节点三角形（ 6-noded triangle ） 四节点四边形（ 4-noded quadrilateral ） 八节点四边形（ 8-noded quadrilateral ）
Phase2 开挖和边坡有限元分析软件
目录
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Phase2软件简介
Phase2功能特点 模型及网格单元划分 材料模型 地下水分析 支护类型 应力场及荷载 边坡稳定有限元分析 节理及节理网络 文件输出及分析
软件简介
Phase2是一款2D的弹塑性有限元分析软件，适用于岩土地面和
水位及孔隙压力等值线
排水部分
流迹线
流矢量
TIP：流迹线是水流路径；流矢量是网格每个节点的流速矢量。
22
支护类型
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锚杆 支护
衬砌 支护
支护类型
桩和土工 合成材料 支护
加强衬 砌支护
Phase2中内置了最优秀 的锚杆支护模型，包含 类型有： 端部锚固 全长锚固 平面锚索 离散装置 回接螺栓 锚 杆 分 布 形 式 对 话 框