水利工程論文-面板堆石壩有限元分析的現(xiàn)狀與展望.doc

水利工程論文-面板堆石壩有限元分析的現(xiàn)狀與展望摘要：本文通過(guò)天生橋一級(jí)面板堆石壩有限元變形計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析,闡述了面板壩有限元應(yīng)力變形分析的現(xiàn)狀，并展望了其發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：面板壩堆石體有限元本構(gòu)關(guān)系1.前言現(xiàn)代碾壓面板堆石壩具有工程量小工期短造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，已成為壩型選擇的主要類(lèi)型之一，在我國(guó)已成大規(guī)模推廣的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)已建成的有關(guān)門(mén)山、柯柯亞、成屏、西北口、天生橋面板堆石壩等十余座，正在規(guī)劃設(shè)計(jì)的有10余座，廣泛分布于全國(guó)各地。20世紀(jì)50年代以前設(shè)計(jì)的堆石壩一般是不計(jì)算壩體應(yīng)力應(yīng)變的，但隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展和壩體的日益增高，同時(shí)在一些壩體中發(fā)現(xiàn)裂縫，壩體應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算才逐步為人們所重視。從“七五”科技攻關(guān)開(kāi)始，國(guó)內(nèi)專家用不同的計(jì)算模型，考慮面板受力特點(diǎn)，采用相應(yīng)的參數(shù)，對(duì)高面板壩進(jìn)行二維、三維有限元分析計(jì)算。但是到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)這種壩主要憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。由于堆石體材料特性十分復(fù)雜，有限元的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)值之間還存在一定的差距?？梢?jiàn)，在這方面尚有許多研究工作有待開(kāi)展。2堆石體材料的本構(gòu)關(guān)系堆石體的本構(gòu)關(guān)系表達(dá)了堆石體應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系，它無(wú)疑對(duì)應(yīng)力應(yīng)變的計(jì)算結(jié)果起決定性作用。目前建立堆石體本構(gòu)關(guān)系往往基于已有模型，再針對(duì)堆石的力學(xué)特性確定甚至調(diào)整本構(gòu)關(guān)系中各種材料參數(shù)。面板壩有限元計(jì)算時(shí)常采用非線性彈性模型和彈塑性模型。2.1非線性彈性模型非線性彈性模型包括鄧肯模型、內(nèi)勒模型、修正鄧肯模型和鄧肯模型等。這些模型最初是針對(duì)土、砂等一類(lèi)材料在常規(guī)三軸試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出的，僅適用于二維分析計(jì)算，其中計(jì)算結(jié)果和已建壩實(shí)測(cè)結(jié)果較為符合的是鄧肯E-B模型和內(nèi)勒模型7。2.1.1鄧肯模型18康納(Kondner)根據(jù)常規(guī)三軸試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，關(guān)系可用雙曲線擬合。隨后，鄧肯(Duncan)引入摩爾-庫(kù)侖(MohrCoulomb)破壞準(zhǔn)則，導(dǎo)出切線彈模為式中,為凝聚力；為初始彈模；為破壞比,是破壞時(shí)主應(yīng)力差和應(yīng)力應(yīng)變雙曲線的漸近線的縱坐標(biāo)的比值,即/；為內(nèi)摩擦角,對(duì)于粗粒土假定是的函數(shù)，即,式中和為試驗(yàn)參數(shù)，大氣壓(下同)。詹布(Janbu)據(jù)試驗(yàn)指出初始彈模和側(cè)限壓力有如下關(guān)系：式中、為兩個(gè)由試驗(yàn)確定的參數(shù)。相應(yīng)于卸荷再加荷情況的切線彈模為，按下式計(jì)算式中、是由試驗(yàn)確定的兩個(gè)參數(shù)，一般較為大。1980年，鄧肯(Duncan)提出切線體積模量的計(jì)算式式中、為試驗(yàn)常數(shù)。體模相當(dāng)于修正鄧肯模型中的,考慮到只能在之間變化，故有限元計(jì)算中應(yīng)限定在范圍內(nèi)，否則得不到合理計(jì)算結(jié)果。平面應(yīng)變條件下鄧肯模型的增量型本構(gòu)關(guān)系為式中、為法向應(yīng)力增量；為剪應(yīng)力增量；、為法向應(yīng)變?cè)隽?；為剪?yīng)變?cè)隽俊｀嚳夏Ｐ偷牟蛔阒幵谟谒荒芊从硥嚎s與剪切的交叉影響；不能反映各向異性；不能反映加荷卸荷對(duì)的變化；不能反映中主應(yīng)力對(duì)強(qiáng)度指標(biāo)的影響等。但總的來(lái)說(shuō)，該模型反映了堆石體變形的主要規(guī)律。它反映了非線性；用于增量計(jì)算時(shí)，能反映應(yīng)力路徑對(duì)變形的影響；通過(guò)與的差別部分體現(xiàn)了加荷卸荷對(duì)變形的影響；通過(guò)假定是的函數(shù)，在一定程度上考慮了高固結(jié)壓力的影響。再加上該模型簡(jiǎn)便直觀，概念明確，并積累了相當(dāng)多的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，因此目前被工程設(shè)計(jì)人員廣泛使用。2.1.2內(nèi)勒模型7內(nèi)勒非線性彈性模型是模型中較為簡(jiǎn)單的一種，模型參數(shù)容易由常規(guī)三軸試驗(yàn)確定。內(nèi)勒(Naylor)認(rèn)為土的切線體積變形模量隨側(cè)限壓力的增加而增加，土的切線剪切模量隨剪應(yīng)力的增加而減小，在破壞時(shí)變?yōu)榱?。因此切線體積變形模量為切線剪切模量為式中，為初始體積變形模量，由常規(guī)三軸試驗(yàn)確定；為初始切線剪切模量，由常規(guī)三軸試驗(yàn)確定；、為常規(guī)三軸試驗(yàn)確定的參數(shù)。內(nèi)勒非線性彈性模型在面板壩有限元分析中較少采用。2.2彈塑性模型4彈塑性模型把總的變形分成彈性變形和塑性變形兩部分，前者用虎克定律計(jì)算，后者用塑性理論求解。南京水科院1987年提出了用于堆石體的雙屈服面彈塑性模型，一般稱為南水模型。該模型可以反映應(yīng)力引起的各向異性和堆石的剪縮特性，在理論方面有其優(yōu)越性。但限于試驗(yàn)設(shè)備，該模型中某些參數(shù)如、較難從試驗(yàn)中得到,因此尚未進(jìn)入工程實(shí)用階段。3.非線性有限元求解方法16一般來(lái)說(shuō)，求解方法有迭代法和增量法兩種，較為常用的是增量法。用增量法計(jì)算時(shí)，荷載逐級(jí)遞增，可以模擬施工過(guò)程，計(jì)算結(jié)果也符合觀測(cè)結(jié)果。以鄧肯模型為例，假設(shè)現(xiàn)進(jìn)行第級(jí)加荷計(jì)算，按中點(diǎn)增量法其計(jì)算步驟如下：1根據(jù)前一級(jí)應(yīng)力全量確定彈性常數(shù)和，并形成剛度矩陣；2加本級(jí)荷載增量的一半于結(jié)構(gòu)，用下式求位移增量：并計(jì)算應(yīng)力和應(yīng)變?cè)隽?，進(jìn)而累計(jì)求得應(yīng)力全量，據(jù)此計(jì)算；3施加全荷，求位移增量：相應(yīng)地可求出應(yīng)力應(yīng)變?cè)隽?，累?jì)則可得位移和應(yīng)力應(yīng)變?nèi)浚恢貜?fù)上述步驟，可得各級(jí)荷載增量下的解答。還有一個(gè)問(wèn)題，即新填筑層各單元初始應(yīng)力狀態(tài)是，如果以此計(jì)算，則切線彈模，就無(wú)法進(jìn)行計(jì)算?？死?Clough)等人將新填土層視為重液體處理，即(為單元形心距土表的距離，為填土容重)。目前較為常用的處理方法式計(jì)算是引入側(cè)壓力系數(shù)，即。事實(shí)上，新填土層經(jīng)過(guò)反復(fù)碾壓，可視為超固結(jié)土，可取前期預(yù)固壓力(視碾壓輕重可取MPa)。4算例天生橋一級(jí)面板堆石壩位于紅水河上游南盤(pán)江干流，壩高178m，上游壩坡11.4,下游壩坡11.29。按平面應(yīng)變問(wèn)題計(jì)算。4.1單元剖分和計(jì)算參數(shù)面板頂厚0.3，底厚為0.9m，沿面板厚度方向剖分一層單元，沿壩高分20層，共剖分500個(gè)單元，1486個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中堆石單元459個(gè)，面板單元20個(gè)，接觸面單元20個(gè)，趾板單元1個(gè)。單元形態(tài)為