高土石坝地震作用效应及坝坡抗震稳定分析研究

论文摘要

我国西部即将兴建的众多高土石坝大多位于强震区,确保其安全运行对国民经济的发展和人民生命财产安全具有重大意义。本文就高土石坝的地震作用效应以及坝坡抗震稳定分析开展了系列研究工作。文中分别采用二维与三维解析法和有限单元法分析了高土石坝沿坝高和坝顶河谷方向的地震加速度分布特征,最终提出了300m级高土石坝地震动态分布系数建议图。然后利用改进的极限平衡法和强度折减法分析了地震动态分布系数对高土石坝坝坡抗震安全系数和临界滑动面的影响。利用强度折减法进行坝坡稳定分析时,根据郑颖人院士总结得出的边坡失稳时,滑动面内单元应变的突变特征,提出了塑性贯通区内最大单元等效塑性应变陡增判断准则。考虑到在坝体失稳变形过程中会产生较大的位移和变形,最后将基于更新拉格朗日方法的大变形理论引入到坝坡抗震稳定分析中,并与利用传统小变形理论求得的结果相比较。论文的主要内容包括以下几个方面:1.分别利用:1)基于剪切梁理论的解析法,包括反应谱法、考虑动剪切模量G与动剪应变γ非线性关系的迭代法、考虑三维效应的简化分析法。2)有限单元法,包括基于E-B非线性弹性模型的静力有限元分析程序和基于等效线性黏-弹性模型的动力有限元分析程序,对六座不同高度模型大坝以及拟建的糯扎渡、双江口高土石坝进行了沿坝高和坝顶河谷方向地震加速度分布特征研究。同时讨论了河谷斜率、地震设计烈度、坝坡率、坝型、地震动输入和坝料参数对高土石坝地震加速度分布的影响,最终提出了300m级高土石坝地震动态分布系数建议图。2.利用强度折减法数值模拟一300m土石坝在失稳过程中,通过观测发现塑性贯通区内各单元等效塑性应变具有突变且发展程度不一的变化规律,提出了塑性贯通区内最大单元等效塑性应变陡增判断准则。3.分别利用:1)考虑堆石材料非线性强度准则和土料动强度准则的极限平衡法,2)对判断准则和折减过程加以改进的强度折减法,分析了地震动态分布系数和坝料强度准则对高土石坝坝坡安全系数和临界滑动面的影响。结果表明,在使用地震动态分布系数建议图计算地震力时,坝体所受的地震荷载有所减小,导致土体滑动力矩相应减小,安全系数有所增加。临界滑动面的位置主要取决于坝料强度准则,地震动态分布系数的影响不大。4.高土石坝在失稳过程中,坝坡会产生较大的位移和变形。因此,引入基于更新拉格朗日方法的大变形理论,采用反映岩土材料拉压不等性的修正Drucker-Prager本构模型,对高土石坝的抗震稳定问题进行了大变形有限元分析,并与采用传统小变形理论求得的结果相比较。得出的结论是,采用基于连续介质力学的大变形理论分析高土石坝坝坡稳定问题时,计算所得的坝坡安全系数略有提高,小变形理论求得的坝坡安全系数亦可满足工程应用的要求。最后讨论了修正Drucker-Prager本构模型中材料参数K、剪胀角ψ、黏聚力系数C和内摩擦角φ,以及弹性模量E和泊松比v对坝坡安全系数的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 土石坝地震震害简述
• 1.3 土石坝地震动态特性研究综述
• 1.3.1 剪切梁法
• 1.3.2 有限元法
• 1.3.3 土石坝地震动态特性研究存在的问题
• 1.4 土石坝坝坡抗震稳定分析综述
• 1.4.1 极限平衡法
• 1.4.2 土石料动强度准则
• 1.4.3 有限元法
• 1.5 文章的组织结构
• 2 高土石坝地震动态特性解析法分析
• 2.1 引言
• 2.2 反应谱法
• 2.2.1 振动微分方程的建立
• 2.2.2 地震反应计算
• 2.2.3 地震加速度组合
• 2.2.4 计算步骤
• 2.2.5 算例
• 2.3 考虑G～γ非线性关系的迭代法
• 2.3.1 土的动力性质
• 2.3.2 筑坝堆石料的动力特性
• 2.3.3 计算步骤
• 2.3.4 算例
• 2.4 考虑三维效应的简化解析方法
• 2.4.1 振动微分方程的建立
• 2.4.2 地震反应计算
• 2.4.3 计算步骤
• 2.4.4 算例
• 2.5 地震设计烈度影响
• 2.6 300m级高土石坝地震动态分布系数建议图
• 2.7 小结
• 3 高土石坝地震动态特性有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限元程序简介
• 3.2.1 静力有限元程序
• 3.2.2 动力有限元程序
• 3.2.3 计算步骤
• 3.3 模型计算
• 3.3.1 二维分析
• 3.3.2 三维分析
• 3.4 影响因素分析
• 3.4.1 坝坡率影响分析
• 3.4.2 坝型影响分析
• 3.4.3 地震动输入影响分析
• 3.4.4 坝料参数影响分析
• 3.4.5 地震设计烈度分析
• 3.5 工程实例分析
• 3.5.1 工程实例1
• 3.5.2 工程实例2
• 3.5.3 结果分析
• 3.6 小结
• 4 高土石坝抗震稳定极限平衡分析
• 4.1 引言
• 4.2 极限平衡法
• 4.2.1 瑞典圆弧法
• 4.2.2 简化Bishop法
• 4.2.3 简化Janbu法
• 4.2.4 Morgenstern-Price法
• 4.3 安全系数的定义
• 4.4 最危险滑动面搜索
• 4.5 实例计算
• 4.5.1 堆石料非线性强度准则
• 4.5.2 土料Seed动强度准则
• 4.5.3 坝体蓄水的处理
• 4.5.4 算例1
• 4.5.5 算例2
• 4.5.6 算例3
• 4.5.7 结果分析
• 4.6 小结
• 5 高土石坝抗震稳定强度折减法分析
• 5.1 引言
• 5.2 ABAQUS软件
• 5.2.1 简介
• 5.2.2 ABAQUS中非线性问题的处理
• 5.2.3 有限元基本方程
• 5.3 边坡失稳判据的讨论
• 5.3.1 强度折减技术
• 5.3.2 折减过程的改进
• 5.3.3 算例和分析
• 5.4 塑性贯通区内最大单元等效塑性应变陡增判断准则
• 5.5 实例计算
• 5.5.1 算例1
• 5.5.2 算例2
• 5.5.3 算例3
• 5.5.4 结果分析
• 5.6 强度折减法计算精度分析
• 5.7 小结
• 6 基于大变形有限元的高土石坝抗震稳定分析
• 6.1 引言
• 6.2 大变形问题的有限元方程
• 6.2.1 物体运动和变形的两种描述
• 6.2.2 物体内应力、应变度量
• 6.2.3 虚功方程的推导
• 6.2.4 有限元方程的建立
• 6.3 修正Drucker-Prager模型
• 6.3.1 屈服准则
• 6.3.2 输入参数
• 6.4 实例计算
• 6.4.1 计算参数
• 6.4.2 观测单元的布置
• 6.4.3 计算结果及分析
• 6.5 参数影响讨论
• 6.5.1 参数K影响讨论
• 6.5.2 剪胀角ψ影响讨论
• 6.5.3 变形参数（E、υ）影响讨论
• 6.5.4 黏聚力系数C和内摩擦角φ影响讨论
• 6.6 小结
• 7 结论和展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文以及参与科研项目情况
• 创新点摘要
• 致谢