考虑各向异性的土石坝应力变形分析

论文摘要

各向异性是土体的重要特性,也是土体材料不同于金属等材料的一个典型特性。随着土石坝工程高度的增加,各向异性特性对坝体的应力变形影响也越来越大。如何正确地在土体本构关系中模拟和反映各向异性影响,建立反映这种特性的工程计算方法,对岩土工程实践有着重要的意义。本文首先介绍了各向异性的基本理论,详细地阐述了土体各向异性的发展状况;其次,对土体柔度矩阵进行推导,解析了各向异性等柔度矩阵的变化过程;最后,在前人试验的基础上,总结土体柔度矩阵的一般规律和各向异性应力变形规律,为建立横观各向同性计算方法和各向异性计算方法奠定了理论基础。基于对土石坝横观各向同性特点的考虑,在经典非线性弹性模型——邓肯E-B模型的基础上,结合前人三轴试验数据,本文提出一种横观各向同性柔度矩阵的修改方法,并在此基础上编写了横观各向同性有限元计算程序。最后以某心墙堆石坝为背景进行应力变形分析,并与常规邓肯模型计算结果和现有的实测资料进行比较,结果表明,修改的横观各向同性计算方法对于坝体水平位移（填筑期）、竖向位移、小主应力等方面的计算更为精确,初步验证了横观各向同性计算方法的可靠性和有效性。考虑到土体各向异性特性以及横观各向同性计算方法的不完善,本文从柔度矩阵的角度进行分析,对土体各向异性的计算方法进行尝试,建立了一种近似表达土体各向异性的计算方案并编写成有限元计算程序。通过对某心墙堆石坝的应力变形分析,结果表明,修改的各向异性计算程序计算结果的图形分布和数值范围均与实测资料基本相符,较好的反映了坝体的应力变形规律,对工程实践有一定的应用价值。最后,结合各向异性方案计算结果,本文分别从应力变形、拱效应、不均匀沉降等角度对该心墙堆石坝坝体进行了安全性分析,结果表明,坝体内部不会出现裂缝,坝体稳定性良好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 土石坝概况
• 1.1.1 土石坝的定义和分类
• 1.1.2 土石坝的发展状况
• 1.1.3 土石坝迅速发展的原因
• 1.1.4 土石坝施工工艺
• 1.2 本课题研究意义
• 1.3 土石坝应力应变计算现状
• 1.3.1 应力应变计算方法
• 1.3.2 计算本构模型研究
• 1.3.3 应力应变计算加载方式
• 1.3.4 应力应变计算存在的问题
• 1.4 本文主要研究的工作和创新
• 2 各向异性基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 各向异性的定义
• 2.3 土体各向异性的研究方向
• 2.4 各向异性研究成果
• 2.5 土体柔度矩阵分析
• 2.5.1 各向异性弹性体柔度矩阵分析
• 2.5.2 单对称各向异性弹性体柔度矩阵分析
• 2.5.3 正交各向异性弹性体柔度矩阵分析
• 2.5.4 横观各向同性弹性体的柔度矩阵分析
• 2.5.5 各向同性弹性体的柔度矩阵分析
• 2.6 本章小结
• 3 三维有限元静力计算分析方法及修改
• 3.1 引言
• 3.2 三维静力有限元程序简介
• 3.2.1 有限单元法基本原理
• 3.2.2 Duncan-Chang模型
• 3.2.3 中点增量法
• 3.2.4 静力计算中的几个问题
• 3.3 横观各向同性程序的修改
• 3.3.1 柔度矩阵的修改
• 3.3.2 柔度矩阵参数的确定
• 3.3.3 程序编写与修改
• 3.4 各向异性程序的修改
• 3.4.1 柔度矩阵的修改
• 3.4.2 柔度矩阵参数的确定
• 3.4.3 程序编写与修改
• 3.5 本章小结
• 4 考虑横观各向同性的土石坝计算分析
• 4.1 引言
• 4.2 糯扎渡工程概况
• 4.3 静力有限元计算及成果分析
• 4.3.1 坝体填筑加载过程
• 4.3.2 坝体三维有限元计算几何模型
• 4.3.3 计算参数
• 4.3.4 计算成果及图示
• 4.4 本章小结
• 5 考虑各向异性的土石坝计算分析
• 5.1 引言
• 5.2 工程参数
• 5.3 静力计算成果及图示
• 5.4 计算成果分析
• 5.4.1 原型观测结果分析
• 5.4.2 计算结果分析
• 5.4.3 其他模型结果分析
• 5.5 基于各向异性结果的大坝安全分析
• 5.5.1 大坝应力变形分析
• 5.5.2 大坝心墙的拱效应分析
• 5.5.3 心墙不均匀沉降分析
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢