ANSYS在土工格栅与细粒尾矿界面特性研究中的应用
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摘要：利用ANSYS软件对土工格栅与细粒尾矿界面特性进行了有限元分析，得出了细粒尾矿的应力、应变等值线图，以及格栅的等效应力、等效应变图，对细粒尾矿和格栅的受力情况进行了分析。土工格栅与细粒尾矿相互作用特性的数值模拟结果和试验研究的对比分析表明两者基本吻合。
关键词：土工格栅，细粒尾矿；界面特性；ANSYS
0引言
随着加筋土技术的引进与开发，一些新的土工材料不断出现并应用于实际工程中。在加筋土技术中，土工合成材料与加筋土之间的界面作用特性是加筋土的一个重要参数。要想把某一土工材料应用于某类土中，首先必须研究它们之间的界面作用特性[1~3]。本文在试验的基础上，利用ANSYS软件对土工格栅与细粒尾矿相互作用进行了有限元分析。
1 模型及参数
拉拔试验槽尺寸为610mm×500mm×300mm(长×宽×高)，根据试验实际尺寸建立有限元计算几何模型，在进行数值模拟时，将问题当作三维来处理。共选用三类单元，其中，细粒尾矿和加筋材料为实体单元SOLID45；土体与格栅的接触面选择CONTA174和TARGE170单元，该模型中填料与格栅接触面摩擦系数的取值来源于拉拔试验中加筋土似摩擦系数值，摩擦系数取为0.2；尾矿土的D-P材料参数【4】为： ，；材料的其它参数见表1。
表1材料参数表
2 模型边界条件和荷载
模型约束情况是土体上端自由，底部三个方向均约束，其它几个面在x、z方向进行约束，其值均为0。对模型的上表面施加均布荷载分别为100kPa，200kPa，300kPa。在z方向上对格栅施加大小为100mm的节点位移。
3 结果分析
在对土工格栅与细粒尾矿进行有限元模拟时，主要对在不同的法向压力下土体的应力、应变、剪应力和剪应变的变化情况，以及在不同位移施加步数情况下格栅受到的拉拔力与位移关系和在相同位移施加步数、法向压力下不同间距的格栅受到的拉拔力与位移关系进行分析。
3.1尾矿土体受力情况分析
为了更加清楚的分析土体内部的实际受力情况，取模型的剖面进行分析。下面取模型的剖面在法向压力为300kPa情况下，土体在Z方向上的位移、应力等值线图与试验结果进行对比分析。
（一） 位移分析
图1（a）为土工格栅与细粒尾矿有限元模拟模型在法向压力为300kPa 下Z方向上的位移等值线图（单位：mm）。从结果分析可以看出随着法向压力的增加，土体在Z方向上的位移值都发生了相应的变化，与格栅上下表面接触的土体因为格栅的拉出位移值相对较大，其中在法向压力为300kPa时发生的位移值最大，其值为30.825mm。土体的位移等值线由土体中间与格栅接触的地方向两边逐渐递减。
（a）位移图 （b）应力图
图1位移和应力等值线图
（二） 应力分析
图1（b）分别为土工格栅与细粒尾矿有限元模拟模型在法向压力为300kPa 下Z方向上的应力等值线图(单位：MPa)。压力为100kPa时土体在Z方向受到的应力最大值出现在与格栅接触的前端和尾部，其值为-0.05387MPa。在压力为200kPa和300kPa时，土体受到的应力最大值也出现在与格栅接触的前端，只是值发生了变化，其值分别为-0.055474MPa和-0.083718MPa。由上可知，随着法向应力的增加，土体在Z方向上受到的应力值也逐渐增大。
3.2 格栅受力情况分析
通过对格栅在法向应力为100kPa，200kPa，300kPa情况下的等效应力等值线图分析可以看出随着法向应力的增加，格栅受到的等效应力也逐渐增大。
图2格栅等效应变图
图2为土工格栅与细粒尾矿有限元模拟模型在法向压力为300kPa下格栅的等效应变等值线图的放大图。当法向应力为100kPa时，格栅受到的等效应变0.044173；当法向压力为200kPa和300kPa时，格栅受到的等效应变最大值分别为0.046061和1.054154。由此可见，随着法向应力的增加，格栅受到的等效应变也逐渐增大。从图3中等效应变云图可以发现，格栅受到的变形的最大值主要发生在纵肋上，而节点处的变形相对与横肋处的变形又稍微大些。这与拉拔试验实际情况相符。由于格栅抗拉性能的发挥是由格栅横肋上的力通过节点传递到格栅的纵肋上，因此，在土工格栅的设计和生产工艺中必须保证格栅节点的强度。
4 结论
通过采用ANSYS软件对土工格栅与细粒尾矿土相互作用的有限元模拟分析，得出了加筋土在受力后应力、应变最大值主要发生在格栅与土接触的上下表面，也是土体最容易发生破坏的地方。这与加筋机理相符；同时通过对格栅的等效应力、等效应变图分析，得出了格栅的节点处容易发生破坏，可为工程设计提供参考；
参考文献
[1] 尹光志，魏作安，许江. 细粒尾矿及其堆坝稳定性分析[M].重庆：重庆大学出版社，2004.
[2] 杨果林，现代加筋土技术应用与研究进展[J].力学与实践.2002,Vol.1,No.1：9～12.
[3] 吴景海，陈环，王玲娟等，土工合成材料与土界面作用特性的研究[J].岩土工程学报，2001,Vol.23,No.1:89～93.
[4]何友芳，土工格栅与细粒尾矿界面作用特性试验研究及数值分析[D].重庆大学，2005.
基 金 项目：西南科技大学青年基金资助项目（09zx3116 ）
依托实验室:西南科技大学环境与资源中心实验室
作者简介：何友芳（1980- ），女，重庆市人，西南科技大学教师。主要从事采矿工程与岩石力学方面的研究。
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