水利工程論文-土壩浸水變形分析的增量有限元法及其應用.doc

水利工程論文-土壩浸水變形分析的增量有限元法及其應用摘要：基于土壩浸水變形分析的增量有限元法，并結合鄧肯模型，編制了相應的土壩應力及變形有限元計算程序。應用實例的計算結果表明，所采用的增量有限元分析方法是合理的，所得計算結果也是接近實際的。關鍵詞：浸水變形本構模型增量有限元法引言眾所周知，土壩對水的作用十分敏感，尤其在水庫蓄水初期，土壩會發(fā)生某些特殊的變形。比如，水庫初次蓄水期，土壩上游壩殼表面往往產(chǎn)生向上游的位移，這與水壓力作用的方向正好相反，同時還伴隨一定的下沉，而不是想象中的隨浮托力的增大而上抬。大量的研究成果表明，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因就在于壩體土料的浸水變形，或稱濕化變形，。浸水變形往往使壩頂發(fā)生橫向的伸長變位從而引起壩體發(fā)生不均勻沉降，甚至導致壩體產(chǎn)生縱向裂縫。因此，如何對初次蓄水期土壩的浸水變形進行準確而合理地分析，在此基礎上掌握其發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，對確保土壩的正常運行具有重要意義。浸水變形的分析方法目前關于浸水變形增量分析方法的研究還不夠深入。但據(jù)筆者分析，文獻所建議的一種增量分析方法，即增量有限元法，相對而言還是較為合理的。其基本原理如下：設單元在浸水前的應力狀態(tài)為，假定它是由級應力增量按比例增加達到的，則每級應力增量為對于每級增量，用干態(tài)的剛度矩陣求應變增量：式中，剛度矩陣是與當前的應力狀態(tài)有關的干態(tài)非線性彈性或彈塑性矩陣。將各級增量下的累加，即得浸水前的總應變。假定浸水前后應變相同，則浸水后每級的應力增量可按下式計算：（）式中為浸水飽和狀態(tài)的剛度矩陣。將各級增量下的累加，即得浸水后的總應力。按假想約束的思路，可確定由浸水變形產(chǎn)生的“初應力”為（）然后，將此假想的“初應力”約束釋放，轉(zhuǎn)化為等效結點荷載，即式中，為單元幾何矩陣；負號表示由于浸水變形轉(zhuǎn)化的等效結點荷載實際上不存在，故需從單元結點荷載中予以扣除。由等效結點荷載，即可求得土體由于浸水變形所引起的附加位移及附加應變。為簡化計算，可將與水壓力或滲透壓力、浮托力等所轉(zhuǎn)化的結點荷載疊加在一起進行計算。應力應變本構模型目前，非線性彈性的鄧肯模型是土石壩應力變形計算中最常用的模型。該模型的基本原理如下：材料的切線模量式中，為破壞比，其值小于.，定義為破壞時的主應力差與主應力差漸近值的比值，即稱為應力水平，定義為實際主應力差與破壞時主應力差的比值，即式中，、為材料實驗參數(shù)，為大氣壓。由摩爾庫侖強度理論，有式中，、為材料的凝聚力和內(nèi)摩擦角。材料的切線體積模量式中，、為材料實驗參數(shù)。材料卸荷模量式中，為材料實驗參數(shù)。材料內(nèi)摩擦角按下式計算：式中，、由實驗獲得。卸載判定沿用在年的土石壩計算程序中的卸載準則。令當大于歷史上最大值時為加載，小于時為卸載。當時為過渡狀態(tài)，采用下列內(nèi)插公式計算切線模量：應用實例某水庫大壩壩型為砂礫石壩殼粘土心墻壩，最大壩高，