水利工程論文-土壩浸水變形分析的增量有限元法及其應(yīng)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(yīng)用摘要：基于土壩浸水變形分析的增量有限元法，并結(jié)合鄧肯模型，編制了相應(yīng)的土壩應(yīng)力及變形有限元計算程序。應(yīng)用實例的計算結(jié)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(jié)果也是接近實際的。關(guān)鍵詞：浸水變形本構(gòu)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(dǎo)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(jìn)行準(zhǔn)確而合理地分析，在此基礎(chǔ)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(guān)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(xiàn)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(shè)單元在浸水前的應(yīng)力狀態(tài)為，假定它是由級應(yīng)力增量按比例增加達(dá)到的，則每級應(yīng)力增量為對于每級增量，用干態(tài)的剛度矩陣求應(yīng)變增量：式中，剛度矩陣是與當(dāng)前的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)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(yīng)變。假定浸水前后應(yīng)變相同，則浸水后每級的應(yīng)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(yīng)力。按假想約束的思路，可確定由浸水變形產(chǎn)生的“初應(yīng)力”為（）然后，將此假想的“初應(yīng)力”約束釋放，轉(zhuǎn)化為等效結(jié)點荷載，即式中，為單元幾何矩陣；負(fù)號表示由于浸水變形轉(zhuǎn)化的等效結(jié)點荷載實際上不存在，故需從單元結(jié)點荷載中予以扣除。由等效結(jié)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(yīng)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(jié)點荷載疊加在一起進(jìn)行計算。應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)模型目前，非線性彈性的鄧肯模型是土石壩應(yīng)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(yīng)力差與主應(yīng)力差漸近值的比值，即稱為應(yīng)力水平，定義為實際主應(yīng)力差與破壞時主應(yīng)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(zhǔn)則。令當(dāng)大于歷史上最大值時為加載，小于時為卸載。當(dāng)時為過渡狀態(tài)，采用下列內(nèi)插公式計算切線模量：應(yīng)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，