沥青混凝土力学模型参数研究及沥青心墙堆石坝三维数值分析

论文摘要

沥青混凝土心墙堆石坝是土石坝的主要坝型之一。大坝主体由堆石坝或砾石组成,起支撑作用,中间设置沥青混凝土心墙起防渗作用。沥青混凝土心墙具有良好的适应变形能力、抗冲刷能力、抗老化能力及整个心墙无须设置结构缝等优点,是目前许多土石坝工程的首选防渗体之一。现代沥青混凝土心墙堆石坝的发展趋势是坝越建越高、工程规模越来越大,因此,对于水工沥青混凝土性能试验、变形特性及其力学模型的研究显得十分迫切。本文首先结合已有的沥青混凝土静三轴试验结论,对沥青混凝土静三轴试验的特点、影响因素及模型参数的求解进行了系统的分析。然后,基于大量不同试验条件（不同围压、不同温度、不同加载速度）下的静三轴试验数据,结合沥青混凝土静三轴试验的工作机理,研究得到了沥青混凝土的应力应变在围压、温度及加载速度这些因素的影响下存在一定的变化规律。进而,根据室内静三轴试验原始数据及沥青混凝土的邓肯-张E-B模型的求解原理及方法,求得沥青混凝土E-B模型的七大参数。结果显示模型参数随着温度、加载速度的变化呈现一定的规律性；并采用灰色系统理论中的关联分析法,研究沥青混凝土模型参数的影响因素与各个参数之间的联系紧密程度,得到了影响因素的主次排序以及反应材料特性的参数的优劣排序。进而利用通用软件ADINA,在对非线性有限元计算研究分析基础上,探讨了心墙堆石坝应力变形计算中接触、分级加载等特殊边界模拟问题,以及这些问题在ADINA中是如何实现的。最后,以重庆观音洞大坝整体、心墙的应力应变分析为研究内容,成功运用ADINA软件对沥青混凝土心墙堆石坝进行了有限元分析,获得了施工期和蓄水期的大坝应力变形有限元结果。并以实验室所得沥青混凝土邓肯-张E-B模型参数为基数,结合大坝三维模型,进行了参数敏感性分析。本文进行的分析研究结果,为沥青混凝土心墙堆石坝的材料特性研究和应力应变特性分析,奠定了一定的理论基础,所获得的试验结果和计算结果对类似工程也具有重要的参考和借鉴价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 沥青混凝土心墙堆石坝的发展
• 1.2 沥青混凝土心墙堆石坝的研究进展及存在问题
• 1.2.1 沥青混凝土心墙堆石坝的研究进展
• 1.2.2 沥青混凝土心墙堆石坝研究存在的问题
• 1.3 沥青混凝土防渗墙的特性研究
• 1.3.1 沥青混凝土防渗墙的性能特点及优越的前景
• 1.3.2 沥青混凝土防渗体材料的力学特性研究
• 1.3.3 沥青混凝土防渗体材料的力学参数研究
• 1.4 本文的研究目的及意义
• 1.4.1 研究目的
• 1.4.2 研究意义
• 1.5 本文的主要内容
• 2 沥青混凝土静三轴试验力学特性
• 2.1 沥青混凝土原材料的组成
• 2.1.1 沥青材料
• 2.1.2 骨料的组成
• 2.2 沥青混凝土静三轴试验简介
• 2.2.1 试验设备
• 2.2.2 试验试件制备
• 2.2.3 试验方法及控制条件
• 2.3 试验结果与分析
• 2.3.1 强度及应力-应变关系特性
• 2.3.2 影响因素分析
• 2.4 沥青混凝土的本构模型
• 2.4.1 邓肯-张E-B模型
• 2.4.2 邓肯-张E-μ模型
• 2.5 本章小结
• 3 沥青混凝土力学参数的分析研究
• 3.1 三轴试验的数据处理
• 3.1.1 数据处理的理论依据
• 3.1.2 数据处理的步骤
• 3.1.3 静三轴试验数据处理的注意事项
• 3.2 沥青混凝土模型参数影响因素分析
• 3.2.1 温度的影响
• 3.2.2 加载速度的影响
• 3.3 基于灰色系统理论的沥青混凝土模型参数研究
• 3.3.1 灰色系统理论
• 3.3.2 灰色关联分析的步骤
• 3.3.3 灰色关联矩阵的求法
• 3.3.4 基于灰色关联分析法的沥青混凝土材料模型参数的分析研究
• 3.4 本章小结
• 4 沥青混凝土心墙堆石坝的有限元计算
• 4.1 有限元法的基本理论
• 4.2 材料的本构模型
• 4.2.1 混凝土的本构模型
• 4.2.2 心墙及堆石体的本构模型
• 4.3 ADINA软件简介
• 4.4 基于ADINA软件的心墙堆石坝应力变形有限元分析
• 4.4.1 材料非线性问题在ADINA中的实现
• 4.4.2 大坝施工及运行过程的模拟
• 4.4.3 ADINA软件对特殊边界的模拟
• 4.4.4 基于ADINA软件的堆石坝应力变形有限元计算流程图
• 4.5 本章小结
• 5 观音洞水库沥青混凝土心墙堆石坝应力变形有限元分析
• 5.1 观音洞水库心墙堆石坝工程概况
• 5.2 观音洞水库心墙堆石坝应力变形三维有限元分析
• 5.2.1 有限元模型
• 5.2.2 计算工况及参数
• 5.2.3 加载过程
• 5.2.4 计算结果分析
• 5.3 计算成果对沥青混凝土材料参的数敏感性分析
• 5.3.1 敏感性分析方法
• 5.3.2 参数敏感性分析方案
• 5.3.3 沥青混凝土材料参数敏感性分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录