ANSYS中的地应力平衡技术应用

进行地应力平衡的原因如下：我们建立的几何模型一般都和工程实际情况一致，例如边坡的几何模型与边坡实际尺寸相一致。但是由于边坡的沉降和徐变作用，可以想像到，现在的边坡应该是由一个体积更大的原始边坡在很久以前由于受到重力作用和边界约束条件，逐渐形成了现今的边坡形态。但是对于那个原始的边坡形态，我们不得而知。假如能准确知晓，我们就能够建立原始边坡的几何模型，接着对边坡施加重力和边界条件，受力后边坡形态应该和现在的边坡相一致，其内力就是初始应力场（地应力），这样就不用专门施加地应力了。但现实情况是我们不能知晓原始边坡的形态。现在的边坡几何模型就是其实际形态，受力之后将会变成一个与现状不一致的边坡，这不符合现在的实际情况。如果我们计算出现今边坡的内力，并将其作为边坡的初始应力场，再去和外力平衡，这样我们建立的模型就和现实边坡情况相一致了。

对于涉及开挖、回填的动态岩土工程问题，地应力平衡是正确模拟施工过程的前提条件。初始应力的加载必须满足地应力平衡，而地应力平衡就是为了使地基仅存在初始应力，而不存在初始应变。当地基自重是产生地应力场的主要因素时，重力是外力，初始应力场是内力，将提取出的内力施加于模型后再施加重力，此时内力和外力平衡，该状态就是工程建设的初始状态。

在ANSYS中的地应力该怎么平衡呢？

初应力(Initial Stress)可以指定为一种“荷载”进行施加,但仅在静态分析和全瞬态分析中使用，可以用于线性分析或非线性分析。初应力荷载只能在第一个荷载步中施加，且ANSYS支持初应力荷载的单元类型有:PLANE2、PLANE42、PLANE82、PLANE182、PLANE183、SOLID45、SOLID92、SOLID95、SOLID185、SOLID186、SOLID187、SHEL181、SHELL208、SHELL209、LINK180、 BEAM188、 BEAM189单元。初应力荷载是单元坐标系下的值，如果单元坐标系与总体坐标系不同应谨慎。初应力荷载只能在求解层施加(有些荷载可以在前处理层施加),施加方法只有采用ISTRESS 、ISFILE 、USTRESS命令，且不能采用ISFILE和USTRESS同时给单元施加初应力荷载。初应力荷载的施加采用覆盖方式，即多次施加时后面命令结果覆盖前面的命令结果。

接下来，小编就一个简单的算例就行地应力平衡。在一个均质的地基上有一根立柱。

柱子的尺寸为1m×2m×10m，密度2400kg/m³，弹性模量2.8E8Pa（这里我为了方便观察规律，降低这个弹性模量），泊松比0.167；均质地基的尺寸为30m×30m×15m，密度为2000kg/m³，弹性模量3E7Pa，泊松比0.3。模型见图。

接下来，我将全部用命令流来实现这部分的内容。

1、不考虑柱子的初始状态

• 导入ANSYS模型

finish
/clear
/FILENAME,DYL
/INPUT,Z_D_WZLDJ.cdb

• 设置边界条件

底部全约束，四周法向连杆约束

/prep7
nsel,s,loc,z,-15
d,all,all
nsel,s,loc,x,-15
nsel,a,loc,x,15
d,all,ux
nsel,s,loc,y,-15
nsel,a,loc,y,15
d,all,uy
Allsel

• 施加重力加速度

/solu
acel,,,9.81

• 模拟开挖

这一步主要是杀死柱子单元，保证只有一个地基

Nropt,full
esel,s,mat,,1
ekill,all
allsel

• 求解并输出应力

iswrite,on
solve
finish

求解之后，得到在自重作用下，纯地基状态的位移，应力分布。

为了便于理解，可以在ANSYS工作的目录中找到DYL.ist文件，用记事本打开，可以看到输出的应力文件中一共有SX、SY、SZ、SXY、SYZ、SXZ这6个应力值，而对于柱子的单元来说，应力全部为0（这里可以通过查找柱子的单元号，查看相应的应力值）。

2、不考虑柱子的导入初始应力

直接读取第一步输出的应力，然后直接计算。

/solu
allsel
isfile,read,DYL,ist,,2,2
solve

从上面的位移云图中可以容易的知道，地基的竖向位移是10E-7量级了，可以说是非常小了。然后我们看一下，地基的竖向应力，与初始状态是一致，这个结果正是我们想要的。（这一步只是便于大家更好的理解这个过程）如果没有上部的结构，那么地应力平衡就到这里结束了。考虑地基上面有建筑，还需要激活上部的结构。

3、激活地基上部结构的应力状态

激活柱子（ealive）

/solu
esel,s,mat,,1
ealive,all
allsel
isfile,read,DYL,ist,,2,2
solve

求解之后，得到在自重作用下，地基和结构的总的位移，应力分布。

从上面的位移的云图中可以简单的看出，地基几乎没有竖向位移，上部的结构（柱子）有相应的竖向位移。应力还是比较的正常的，于是乎平衡到这里就全部结束了。

上面的过程为了便于整个过程的完整性，便于理解。其实可以完全忽略第二个过程，直接第三步。那么这期ANSYS的地应力平衡就到此结束了。

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