土石坝地震永久变形及抗震稳定性数值分析方法研究

论文摘要

我国西北与西南地区拥有丰富的水利水电资源,同时这些地区的河谷条件、地质条件和环境条件极度复杂,且一般位于高烈度地震活动区。随着我国西北大开发战略计划的实施,越来越多的高坝等大型水利水电工程基础设施正在建设或正处于规划与设计中。土石填筑坝能够有效地就地利用当地筑坝材料,能够适宜于不良地基与河谷条件,具有良好的抗震性能,往往是一种安全经济、具有潜力的坝型。同时在海岸防护与防洪加固中修建了大量的堤坝、河堤与岸堤。但是复杂条件下土石填筑坝的抗震性能与抗震安全性评价一直是设计与建设中的关键技术问题,目前仍尚未得到彻底解决,传统上所采用的拟静力分析方法存在其固有的缺陷,而目前正在发展的有限元动力分析方法尚不成熟而无法在工程实际中推广应用,单凭拟静力抗滑稳定性安全系数无法判断土石填筑坝与堤坝的实际抗震安全度与可靠性,而基于地震永久变形或地震滑移量的堤坝动力稳定性评价方法目前尚不完善而未达到工程实用阶段,因此必须发展理论上合理、工程上实用的土石坝抗震性能分析方法与抗震稳定性评价方法,这不仅对于促进土动力学与岩土地震工程学科的发展具有重要的学术意义,而且对于改进土石填筑坝的抗震设计具有重要的实际应用价值。为此,为了有效地改进这些问题,本文通过理论分析与数值计算等手段对于土石填筑坝地震永久变形分析方法与抗震稳定性评价方法进行了比较深入而系统的探索,主要研究工作包括: 1.基于传统的解析型一维剪切条模型,提出了土石坝地震动力响应分析的离散型剪切条模型。首先将坝体沿坝高离散为一系列具有不同剪切刚度与阻尼比等参数的层状体系,建立了各层的振动控制方程及其初边值条件,进而运用数学物理方程方法进行了数学求解,确定了体系的振动特性,并根据振型分解法和Duhamel积分确定了坝体地震动力响应的线性解答。进而采用等价线性化方法考虑坝料的动力非线性性质,通过对线弹性响应的反复迭代计算使得各层土的剪切模量和阻尼比与其相应的剪应变水平相协调,确定了与非线性坝体系统相等效的线性解答,并以此所得到的地震响应作为非线性地震响应的近似解。最后分别以均质土坝和心墙坝作为算例,进行了具体数值计算,并将所得结果与有限元数值解进行了对比分析,论证了所建议分析方法与计算模型的合理性及适用性。由此表明:离散型剪切条法可以作为一种工程实用分析方法,为土石坝抗震性能简化分析、方案论证阶段的多工况对比计算或工程设计初步阶段的抗震优化设计提供一种简便工具。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 土石坝抗震稳定分析方法概述
• 1.2.1 土石坝地震动力响应分析
• 1.2.2 土石坝抗滑稳定分析
• 1.2.3 土石坝及地基液化稳定分析
• 1.2.4 土石坝地震永久变形分析
• 1.3 土石坝抗震稳定分析方法评述
• 1.4 论文的主要内容与技术路线
• 1.4.1 论文的主要内容
• 1.4.2 论文的技术路线
• 1.4.3 论文的组织结构
• 第二章 土石坝地震动力响应分析的离散型剪切条计算模型研究
• 2.1 引言
• 2.2 土石坝线弹性地震响应分析的离散型剪切条模型
• 2.2.1 分析模型与基本假定
• 2.2.2 振动特性
• 2.2.3 地震动力响应
• 2.2.4 算例及其分析
• 2.3 土石坝非线性地震响应分析的离散型剪切条模型
• 2.3.1 土的动力本构模型
• 2.3.2 等价线性化分析方法
• 2.3.3 土石坝非线性地震动力响应分析的离散型剪切条模型
• 2.4 土石坝非线性地震动力响应的对比分析
• 2.4.1 计算参数
• 2.4.2 结果及其分析
• 2.5 基于反应谱法的土石坝地震动力响应简化分析方法
• 2.5.1 分析原理
• 2.5.2 算例与分析
• 2.6 小结
• 第三章 土石坝拟静力抗震稳定分析的非线性有限元法
• 3.1 引言
• 3.2 强度折减弹塑性有限元法的基本理论
• 3.2.1 基于强度折减概念的安全系数定义
• 3.2.2 强度折减弹塑性有限元法
• 3.2.3 失稳判据
• 3.2.4 大型通用软件ABAQUS及其应用
• 3.3 土石坝抗震稳定分析有限元静力法
• 3.3.1 土石坝抗震计算静力法的基本原理
• 3.3.2 算例及其分析
• 3.4 基于规范法的土石坝拟静力抗震稳定分析
• 3.4.1 地震惯性力的确定方法及其评价
• 3.4.2 基于有限元法的坝体拟静力稳定性分析
• 3.4.3 渗流作用力
• 3.4.4 考虑渗流效应的土石坝抗震稳定分析
• 3.4.5 拟静力地震总应力法
• 3.4.6 拟静力地震有效应力法
• 3.5 基于地震响应分析的土石坝拟静力抗震稳定分析
• 3.5.1 土石坝地震动力反应分析
• 3.5.2 地震惯性力
• 3.5.3 土石坝拟静力抗震分析
• 3.6 土石坝拟静力抗震稳定性分析的对比计算
• 3.6.1 计算参数
• 3.6.2 结果及其分析
• 3.7 小结
• 第四章 土石坝地震动力稳定性及坝坡滑移量分析
• 4.1 引言
• 4.2 土石坝拟静力稳定性的动力响应分析
• 4.2.1 潜在滑动体的平均地震响应
• 4.2.2 土的强度的循环退化效应
• 4.2.3 对于圆弧滑动面的简化Bishop法
• 4.2.4 对于非圆弧滑动面的改进简化Bishop法
• 4.3 土石坝坝坡地震滑移量估算
• 4.3.1 基本原理
• 4.3.2 圆弧滑动面的地震滑移量估算方法
• 4.3.3 沿光滑渐变曲面的地震滑移量估算方法
• 4.3.4 圆弧滑动面的算例分析
• 4.3.5 光滑渐变曲面滑动面的算例分析
• 4.4 考虑强度退化效应的土石坝地震滑移量估算
• 4.4.1 计算方法
• 4.4.2 算例分析
• 4.5 竖向地震加速度作用对土石坝抗震性能影响的分析
• 4.5.1 竖向地震加速度影响的现有考虑方法
• 4.5.2 正弦波激励下坝体的抗震性能分析
• 4.5.3 地震激振下坝体的抗震性能分析
• 4.6 小结
• 第五章 地震作用下土石坝整体变形计算方法
• 5.1 引言
• 5.2 残余应变与残余孔隙水压力的经验模式
• 5.2.1 无粘性土的残余应变和孔隙水压力及其经验模式
• 5.2.2 粘性土的残余应变和孔隙水压力及其经验模式
• 5.3 等效结点力—逐步软化有限元分析模型
• 5.3.1 地震整体变形计算原理
• 5.3.2 等效结点力—逐步软化有限元方法
• 5.4 地震作用下土的应力—应变关系
• 5.4.1 循环荷载作用下土的应力—应变关系
• 5.4.2 与其它整体变形分析模型的比较
• 5.4.3 循环荷载下粘性土的经验本构模型
• 5.5 等效地震结点力
• 5.6 地震永久变形计算
• 5.7 算例及其分析
• 5.7.1 计算参数
• 5.7.2 结果及其分析
• 5.8 小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间所发表及完成的学术论文
• 攻读博士学位期间所参加的科研项目
• 创新点摘要
• 致谢
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