基于断裂力学的土石坝心墙水力劈裂研究

论文题目: 基于断裂力学的土石坝心墙水力劈裂研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 岩土工程

作者: 王俊杰

导师: 朱俊高

关键词: 土石坝,水力劈裂,积分,断裂力学,断裂试验,判定准则,虚裂缝扩展法,有限元法

文献来源: 河海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 心墙的水力劈裂问题是目前高心墙坝设计中急需解决的关键岩土工程技术问题之一,对其进行深入研究,有益于解决实际工程问题和进一步完善土石坝设计理论。本文在总结和评述前人研究成果的基础上,从发生条件、力学机理、判定准则和数值模拟等方面对其进行了系统深入地研究。 水力劈裂的发生条件包括物质和力学两个方面。前者是存在于心墙上游面的裂缝和心墙土料的低透水性,该条件通常是具备的;后者是库水进入裂缝后形成的足够强的“水楔”作用。由于“水楔”作用的形成需要快速的蓄水速率和心墙土体为非饱和状态,水力劈裂通常易发生在水库的初次蓄水期,若心墙土体为饱和状态或者稳定渗流已经形成,发生水力劈裂现象的可能性将不大。 通过裂缝进入心墙的水体,在裂缝内形成的梯度水压力改变了裂缝尖端的应力场,当该应力场的强度达到裂缝扩展所需要的强度时,裂缝就扩展,即发生水力劈裂现象,这就是水力劈裂发生的力学机理。该机理可从断裂力学的角度揭示,水力劈裂问题也可用断裂力学的理论进行研究。 从断裂力学的角度研究水力劈裂问题,首先要研究的是心墙土体的断裂特性。针对标准三点弯曲断裂试验中无法克服试样自重影响的缺点,提出了从水平方向施加断裂荷载的改进方法,并基于该改进方法,研制了适于测试土体断裂参数的测试仪。利用该仪器,对云南糯扎渡堆石坝心墙料的击实试样进行了室内断裂试验,论证了线弹性断裂力学的适用性,研究了其Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ—Ⅱ复合型的断裂特性。结合前人研究成果,建立了岩土材料的断裂韧度KIC和单轴抗拉强度σt间的线性相关关系。提出了所研究土体的Ⅰ—Ⅱ复合型断裂判据。 基于线弹性断裂力学理论和断裂试验成果,提出了Ⅰ—Ⅱ复合型的水力劈裂判定准则。以含裂缝的方形水力劈裂试验试样和含裂缝的心墙上游面为例,推求了其发生水力劈裂的条件,讨论了判定准则的应用,分析了水力劈裂发生的机理和最危险裂缝的产状。 提出用4结点等参单元建立裂缝及其端部的有限元模型,用虚裂缝扩展法计算J积分,对水力劈裂的发生发展过程进行判定模拟的有限元方法。通过数值方法计算标准三点弯曲梁和非对称四点弯曲梁的应力强度因子,分析混凝土重力坝坝踵裂缝问题,验证了该方法的有效性。 讨论了裂缝长度、裂缝位置、库水位、以及心墙土料的弹性模量、泊松比和密度等对水力劈裂发生可能性的影响。 作为应用实例,对在建云南糯扎渡堆石坝心墙的抗水力劈裂性能进行了计算分析,讨论了其发生水力劈裂需要具备的裂缝条件和库水位的关系。计算分析表明,目前的设计是合理的,只要能够确保施工质量,心墙的抗水力劈裂性能应该是有保证的。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 与水力劈裂有关的大坝事故

1.2.1 美国Teton坝的溃决

1.2.2 挪威Hyttejuvet坝的初次蓄水渗漏

1.3 土石坝心墙水力劈裂问题的研究现状

1.3.1 水力劈裂的判定准则

1.3.2 水力劈裂的室内试验研究

1.3.3 水力劈裂的现场试验研究

1.3.4 水力劈裂的模型试验研究

1.3.5 水力劈裂的数值模拟研究

1.3.6 水力劈裂的影响因素

1.4 土体断裂力学研究现状

1.4.1 裂缝产生的机理

1.4.2 断裂参数的测定

1.4.3 断裂力学的适用性

1.5 本文研究的技术路线

第二章 水力劈裂发生的条件和机理

2.1 水力劈裂发生的物质条件

2.1.1 心墙中的裂缝及缺陷

2.1.2 心墙的低渗透性

2.2 水力劈裂发生的力学条件

2.3 水力劈裂发生的蓄水条件

2.3.1 分析方法

2.3.2 非饱和心墙中的水力劈裂

2.3.3 饱和心墙中的水力劈裂

2.4 水力劈裂发生的裂缝条件

2.5 坝料特性对水力劈裂的影响

2.5.1 弹性模量的影响

2.5.2 泊松比的影响

2.6 坝体结构对水力劈裂的影响

2.6.1 坝高的影响

2.6.2 心墙厚度的影响

2.6.3 岸坡坡度的影响

2.7 水力劈裂发生的力学机理

2.8 本章小结

第三章 击实粘性土的断裂特性研究

3.1 土体断裂韧度K_(IC)的测试方法

3.1.1 K_(IC)的标准测试方法

3.1.2 土体K_(IC)的测试方法及改进

3.2 土体断裂仪的研制

3.3 试验土料

3.4 线弹性断裂力学的适用性

3.4.1 简单加荷过程

3.4.2 循环加荷过程

3.5 断裂韧度K_(IC)的试验研究

3.5.1 干密度的影响

3.5.2 含水量的影响

3.5.3 固结压力的影响

3.6 断裂韧度K_(IC)与抗拉强度的关系

3.6.1 抗拉强度试验

3.6.2 断裂韧度与抗拉强度的关系

3.7 Ⅱ型及Ⅰ-Ⅱ复合型断裂试验

3.7.1 试验方法及计算理论

3.7.2 试验方案

3.7.3 试验成果

3.8 Ⅰ-Ⅱ复合型断裂判据

3.9 本章小结

第四章 水力劈裂判定准则

4.1 心墙上游面裂缝问题简化

4.2 水力劈裂判定准则

4.3 含裂缝的方形试样分析

4.3.1 裂缝内有水压力时的K_Ⅰ

4.3.2 裂缝内有水压力时的K_Ⅱ

4.3.3 裂缝内有水压力时的(K_Ⅰ~2+K_Ⅱ~2)~(0.5)

4.3.4 最危险裂缝方向

4.4 含横向裂缝的心墙上游面分析

4.4.1 心墙上游面有水压力时的K_Ⅰ

4.4.2 心墙上游面有水压力时的K_Ⅱ

4.4.3 心墙上游面有水压力时的(K_Ⅰ~2+K_Ⅱ~2)~(0.5)

4.4.4 最危险裂缝方向

4.5 含竖向裂缝的心墙上游面分析

4.5.1 心墙上游面有水压力时的K_Ⅰ

4.5.2 心墙上游面有水压力时的K_Ⅱ

4.5.3 心墙上游面有水压力时的(K_Ⅰ~2+_Ⅱ~2)~(0.5)

4.5.4 危险裂缝方向的确定

4.6 最易发生水力劈裂的裂缝产状

4.7 本章小结

第五章 水力劈裂有限元模拟方法

5.1 前人处理裂缝问题的有限元方法

5.2 虚裂缝扩展法计算J积分的原理和方法

5.2.1 J积分的定义

5.2.2 虚裂缝扩展法的基本原理

5.2.3 J积分的计算

5.2.4 虚裂缝的实现

5.3 水力劈裂有限元模拟方法

5.3.1 有限元模型的建

5.3.2 积分区域的选取

5.3.3 裂缝内水压力的分布形式

5.3.4 水力劈裂的判定模拟

5.3.5 程序开发

5.4 影响J积分计算值的因素

5.4.1 有限元模型的影响

5.4.2 虚裂缝长度的影响

5.4.3 裂缝材料特性的影响

5.5 水力劈裂模拟方法的断裂力学验证

5.5.1 纯Ⅰ型问题

5.5.2 纯Ⅱ型问题

5.5.3 Ⅰ—Ⅱ复合型问题

5.6 水力劈裂模拟方法的重力坝分析验证

5.6.1 有限元模型的建立

5.6.2 材料参数及计算方法

5.6.3 计算结果

5.7 本章小结

第六章 水力劈裂影响因素

6.1 概述

6.2 研究方法

6.3 库水位对J积分的影响

6.4 裂缝长度对J积分的影响

6.5 裂缝位置对J积分的影响

6.5.1 J积分与库水位的关系

6.5.2 J积分与裂缝长度的关系

6.5.3 J积分与归一化裂缝长度的关系

6.6 坝料特性对J积分的影响

6.6.1 心墙弹性模量的影响

6.6.2 心墙泊松比的影响

6.6.3 心墙密度的影响

6.7 本章小结

第七章 糯扎渡堆石坝心墙水力劈裂分析

7.1 工程概况

7.2 水力劈裂分析方法及参数

7.2.1 水平裂缝情况

7.2.2 竖直裂缝情况

7.2.3 材料参数

7.3 有限元模型

7.3.1 水平裂缝情况

7.3.2 竖直裂缝情况

7.4 计算方案

7.5 计算结果及分析

7.5.1 水平裂缝情况

7.5.2 竖直裂缝情况

7.5.3 心墙抗水力劈裂性能分析

7.6 本章小结

第八章 总结与展望

8.1 内容总结

8.2 创新点总结

8.3 研究展望

参考文献

攻读博士期间发表论文情况

攻读博士期间取得科研成果情况

攻读博士期间参加科研情况

攻读博士期间获奖情况

致谢

发布时间: 2006-01-16

参考文献

• [1].高心墙堆石坝心墙水力劈裂的细观机理研究[D]. 杨艳.武汉大学2013
• [2].岩体水力劈裂机理试验及数值模拟研究[D]. 谢兴华.河海大学2004
• [3].高混凝土重力坝水力劈裂机理研究及设计准则探讨[D]. 汪洋.清华大学2016
• [4].黏土心墙水力劈裂机理试验及数值分析研究[D]. 冯晓莹.大连理工大学2008

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• [5].粗粒料浸水湿化变形特性试验及其数值模型研究[D]. 魏松.河海大学2006

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