土石坝试验新技术研究与应用

研制的多功能静动力大型三轴试验系统是中国首台能够测量堆石料动态体变过程的大型三轴试验设备,构建了国内外70多座重要高土石坝筑坝堆石料静动力学性质试验数据库,揭示了静动荷载作用下堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素、强度与剪胀(缩)非线性变化规律、地震残余变形发展规律、流变规律和饱和砂砾石料地震液化规律等。创建了高土石坝离心机振动台模型试验技术与试验结果分析方法,成功应用于高面板堆石坝与心墙堆石坝地震破坏机理和抗震加固方案有效性验证,得出的高土石坝地震加速度反应和地震残余变形定性与定量分布规律、高土石坝地震破坏机理结果得到了汶川地震后紫坪铺面板堆石坝和碧口心墙坝震害资料的证实。较好解决了目前高土石坝地面振动台模型试验与原型应力水平相差过大,常规离心机振动台模型试验因模型箱尺寸和振动台功率限制无法进行与原型应力水平一致的模型试验的难题。创建了土石坝溃坝离心模型试验技术与试验结果分析方法;研发了离心机大流量水流控制系统,实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡;研发了将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体的专用溃坝模型箱,有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大和泥石流下无法正常工作的难题,实现了土石坝溃坝全过程溃口洪水流量的测量。上述研究成果为进一步提升高土石坝灾害预测与防控水平提供了重要技术支撑。     

堆石料等应力比路径三模量增量非线性模型

已有研究表明,土石坝内堆石料在填筑期的应力路径可近似为等应力比的路径。根据等应力比三轴排水剪切试验,介绍了一个三模量增量非线性模型,即模型除给出堆石体积模量K和剪切模量G的表达式外,对剪应力产生的体变和平均主应力产生的剪切应变也采用了交叉模量J表达。采用粒子群优化算法通过全量本构关系曲线确定增量模型参数。通过对试验数据的拟合发现,三模量模型可以较好地反映堆石料的应力与变形特性。     

Earthquake performance assessment of concrete gravity dams subjected to spatially varying seismic ground motions

This paper investigates the earthquake performance of concrete gravity dams under spatially variable seismic excitations. A nonlinear finite element model is developed and validated using shake table experimental results. The model is then subjected to spatially varying earthquake ground motions incorporating the wave passage effect, with values for apparent propagation velocities consistent with the source-site geometry and the shear wave velocity in the foundation rock. The evaluation reveals that different response patterns occur when spatially non-uniform and uniform seismic ground motions are applied as input excitations to the model, because spatially non-uniform excitations induce the quasi-static response, whereas uniform excitations do not, and, in addition, the dynamic response caused by different input motions varies. Notably, spatially non-uniform excitations produce larger opening at the heel of the dam and severer slipping at its toe; this latter observation can have a significant effect on the global equilibrium and stability of the dam during an earthquake.     

河谷地形对高土石坝动力反应特性影响的分析

应用三维完全非线性动力弹塑性分析方法,研究了狭窄河谷中高土石坝的动力反应特性,通过计算分析,给出了不同河谷形状特性下高土石坝的剪应变和永久位移分布规律。结果表明：狭窄河谷地形导致大坝动力反应表现出较强的空间三维效应,河谷形状对坝体的剪应变和位移有显著影响;对称河谷时坝体的剪应变呈椭圆形往外延伸,最大值出现在坝顶心墙处;当河谷宽高比相对较小时,河谷形状对坝体的约束作用较强,位移增大的趋势相对较为明显;在同样河谷形状特性的情况下,宽河谷情况下的位移较缓岸坡情况下坝顶沉降要大些。本文结论可为狭窄地形强震地区的大坝设计提供依据。     

考虑相互作用影响的堆石料动力参数反演

通过黏弹性人工边界及相关的等效结点力法实现了半无限域的地震动输入,采用多种群遗传算法和径向基神经网络构建参数反演平台,建立了考虑坝基相互作用及辐射阻尼影响的土石坝动力参数反演分析模型。多种群遗传算法优化得到坝体堆石料动力参数,可有效避免传统遗传算法的早熟问题;经过训练的径向基神经网络描述模型参数和加速度反应谱值之间的映射关系,节省参数反演的计算时间。对鲤鱼潭大坝动力参数的反演结果表明,测点加速度与实测值吻合较好。考虑相互作用的反演得到堆石料最大动剪模量系数C值最大,刚性地基模型反演结果居中,室内动三轴试验值最小,工程应用时室内试验值应予以修正。     

考虑堆石料软化的坝坡随机地震动力稳定分析

地震尤其强震作用下,土石坝筑坝堆石料会逐渐呈现出软化特性,影响坝坡安全。为有效评估堆石料软化对坝坡稳定性的影响,结合地震动随机性,考虑不同地震强度水平,提出了基于等价极值分布和广义概率密度演化方法的坝坡安全概率分析方法,并基于坝坡稳定最小安全系数、安全系数超限累积时间、累积滑移量3个物理量,对242 m高的面板堆石坝进行随机动力响应分析和概率可靠度分析。结果表明:地震作用过程中,随着地震强度的增加,考虑软化与不考虑软化的计算结果差别逐渐增大,因为地震作用下,堆石料软化特性逐渐显现;同时,在地震激励下,堆石料软化是一个渐进过程。因此,考虑坝坡堆石料软化,对高土石坝抗震性能分析具有重要的意义。此外,单纯从最小安全系数角度考察土石坝坡稳定性,是不合理的,需要结合安全系数超限累积时间和累积滑移量,全面评估坝坡的安全性。提出的随机概率分析方法,可以对土石坝坡的可靠度给出较为准确的评价。     

胶凝粗粒料的弹塑性模型与应用研究

目前工程技术人员对胶凝粗粒料能否应用于高堆石坝等重要、永久性建筑物还存在疑虑,这主要是由于目前对胶凝粗粒料力学性质研究尚不充分。尚没有广为认可的胶凝粗粒料标准本构模型,使得胶凝粗粒料数值模拟结果可信度较低。进行了胶凝砂砾料大围压范围(7级围压,范围100～3000 kPa)的室内三轴剪切试验,试验结果表明,胶凝砂砾料力学性质具有压硬性、强度非线性、强剪胀性和应变软化性等显著特征。研究发现,三轴应力路径的胶凝砂砾料应力应变关系可用驼峰曲线较好描述,其体积剪胀性可采用Rowe剪胀方程描述,以此建立了三轴应力平面内胶凝砂砾料应力应变关系,并根据广义塑性理论中切线模量与塑性模量之间的关系,将模型拓展至三维应力空间,得到了胶凝砂砾料弹塑性本构模型。试验结果和前人多组试验结果对该模型进行了验证,均表明模型具有良好的适用性,模型简明、实用,易于数值实现。将该模型成功应用于一个高面板坝的"胶凝增模区"弹塑性分析,并从坝体、防渗体应力变形安全性方面评估了胶凝料用于高堆石坝"增模"的可行性。     

动态荷载作用下混凝土受拉性质的研究

混凝土静载强度是结构设计的理论基础,在涉及抗震部分的验算时只是将静载强度乘以一个系数作为调整来反映地震作用对结构的影响。实际上在地震荷载的作用下,结构的地震响应非常复杂,不同的建筑物或者建筑物不同的部位,其应变率的变化各不相同,单纯用一个系数调整显然过于简单。通过对C50混凝土试件进行10-5、10-4、10-3、10-2/s四个应变率下的轴拉试验来研究高强度混凝土在动载下极限强度、弹性模量、泊松比、表面微裂缝开展与应变率的关系。     

大伙房土坝砂质坝壳抗震设计回顾

１９５２ 年设计大伙房水库工程时,对砂质坝壳抗震问题进行了广泛探索。遍阅苏、美、英书刊,进行砂料临界孔隙比试验。确定采用相对密度０－８３ ,以防止砂料液化,用与此相应的干密度和抗剪强度及水平、铅直两向Ⅷ度地震加速度系数进行拟静力法坝坡抗震稳定计算。施工时,为了达到相对密度的要求,研制了重型机械夯板。１９９２ 年,在坝体挖５ 个试坑测原状孔隙率、干密度,在试验室测得平均相对密度０－８１ ,其中２ 个试样相对密度达１－０ ,用共振柱法和动三轴试验测得最大剪切模量、最大阻尼比、剪切模量－ 剪应变关系、阻尼比－ 剪应变关系、动孔隙水压力比－ 动剪应力比关系。进行静力、动力有限元分析结合上述试验曲线得到坝壳坝基液化度等值线和坝坡抗震稳定安全系数时程曲线。Ⅷ度地震时,液化度最高处为０－６ ,安全系数最小为１－０８ ,满足抗震要求。     

坝坡地震永久变形分析

结合大坝工程实例,根据堆石料的大型动三轴试验结果,确定了坝料的残余体应变和残余剪应变模式,特别是非饱和料的残余体应变模式.在所建立的面板坝三维非线性动力反应有限元法基础上,结合孔隙水压力扩散和消散的计算,建立了一套同时计入残余体应变和残余剪应变的面板堆石坝地震永久变形的计算方法.最后,结合案例进行了地震永久变形的计算,分析了坝体地震永久变形的量值和分布情况,为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据.     

考虑堆石料空间变异性的土石坝地震反应随机有限元分析

探讨了一种将随机场模拟技术与有限元方法相结合的随机有限元法在土石坝地震反应分析中的应用途径。采用局部平均细分法模拟堆石料物理力学性质随机场,使得能够考虑堆石料的空间变异性。提出尽量利用建立材料物理性质与力学性质关系的计算模型,以降低获取材料力学性质统计特性信息的成本。以一实际工程为例,采用该随机有限元法计算了堆石料的干密度、孔隙比、不均匀系数、平均粒径、Duncan–Chang E–B模型模量系数以及初始摩擦角具有不确定性时土石坝的随机地震响应及永久变形。结果表明:筑坝堆石料的不确定性会使大坝响应及永久变形发生一定程度的离散;忽略材料的不确定性可能导致低估大坝的地震反应;表征大坝地震反应的各性能指标并不一定都符合正态或对数正态分布。     

Numerical analysis of nonlinear dynamic behavior of earth dams

A numerical study is conducted to investigate the dynamic behavior of earth dams. The numerical investigation employs a fully nonlinear dynamic finite difference analysis incorporating a simple elastic perfectly plastic constitutive model to describe the stress-strain response of the soil and the Rayleigh damping to increase the level of hysteretic damping. The extended Masing rules are implemented into the constitutive model to explain more accurately the soil response under general cyclic loading. The soil stiffness and hysteretic damping change with loading history. The procedures for calibrating the constructed numerical model with centrifuge test data and also a real case history are explained. For the latter, the Long Valley (LV) earth dam subjected to the 1980 Mammoth Lake earthquake as a real case-history is analyzed and the obtained numerical results are compared with the real measurements at the site in both the time and frequency domains. Relatively good agreement is observed between computed and measured quantities. It seems that the Masing rules combined with a simple elasto-plastic model gives reasonable numerical predictions. Afterwards, a comprehensive parametric study is carried out to identify the effects of dam height, input motion characteristics, soil behavior, strength of the shell materials and dam reservoir condition on the dynamic response of earth dams. Three real earthquake records with different levels and peak acceleration values (PGAs) are used as input motions. The results show that the crest acceleration decreases when the dam height increases and no amplification is observed. Further, more inelastic behavior and more earthquake energy absorption are observed in higher dams.     

鲤鱼潭大坝坝料动力参数反演

采用现行的室内外试验方法确定的土石料动力参数是否符合实际是人们关心的问题之一。提出了一种基于坝体加速度峰值和反应谱的土石坝坝料动力参数反演方法。利用鲤鱼潭大坝在集集地震中的加速度响应信息,反演了坝料的动力参数。结果表明,该方法是可行的,计算精度可满足实际工程要求。研究表明室内动三轴试验得到的坝料最大动剪模量系数K的值偏小,应予以修正。     

高土石坝地震安全控制标准与极限抗震能力研究

基于土石坝震害调查和原型观测资料分析，针对高土石坝的坝坡稳定、坝体地震永久变形以及混凝土面板接缝位移3个影响高土石坝安全的主要因素，初步建议了相应的地震安全控制标准，并应用于高心墙堆石坝和面板堆石坝的极限抗震能力计算分析。结果表明：按规范设计的高土石坝具有较强的抗震能力，其极限抗震能力在0.50g以上，可抵抗9度以上地震而不致于出现灾难性后果；高土石坝的极限抗震能力与相应的地震安全控制标准密切相关，按照本文建议的标准，高心墙堆石坝坝坡稳定是其极限抗震能力的控制因素，高面板堆石坝面板周边缝安全是其极限抗震能力的控制因素。     

Dynamic failure analysis of concrete dams under air blast using coupled Euler-Lagrange finite element method

In this study, the air blast response of the concrete dams including dam-reservoir interaction and acoustic cavitation in the reservoir is investigated. The finite element (FE) developed code are used to build three-dimensional (3D) finite element models of concrete dams. A fully coupled Euler-Lagrange formulation has been adopted herein. A previous developed model including the strain rate effects is employed to model the concrete material behavior subjected to blast loading. In addition, a one-fluid cavitating model is employed for the simulation of acoustic cavitation in the fluid domain. A parametric study is conducted to evaluate the effects of the air blast loading on the response of concrete dam systems. Hence, the analyses are performed for different heights of dam and different values of the charge distance from the charge center. Numerical results revealed that 1) concrete arch dams are more vulnerable to air blast loading than concrete gravity dams; 2) reservoir has mitigation effect on the response of concrete dams; 3) acoustic cavitation intensify crest displacement of concrete dams.     

围压对土动剪模量和阻尼比影响的简化计算方法

围压对土的初始动剪模量、阻尼比、动剪模量比和阻尼比随剪应变的变化关系（G/Gmax-λ 和h-λ等性质产生明显的影响.通过总结分析已有研究和经验模型,确认围压对初始动剪模量和阻尼比的影响.以M.B.Darendeli的研究为基础,得出了由常规围压状态下土动剪模量和阻尼比与剪应变的关系曲线来分析任意围压状态下其关系曲线的简化计算方法,在不考虑围压引起G/Gmax-λ 和h-λ 曲线形状变化的条件下,直接由剪应变值计算动剪模量和阻尼比.通过试验结果的统计回归分析,提出了砂土和黏性土的主要参数建议值.与已有经验模型和试验结果的分析对比表明,所获得的围压状态下的土性质曲线具有足够的工程精度.将该方法与等效线性化方法结合可方便地进行考虑围压影响的一维场地地震反应分析.上海地区典型深厚场地的地震反应分析表明,由基岩反应谱计算地表反应谱时,在大震作用下宜考虑围压对土性质的影响.     

弱震情况下高土石坝坝料动力参数反演分析

通过传递函数结合黏弹性人工边界模型实现了三维河谷地形下地震动的输入问题,不仅考虑了坝基相互作用和地基辐射阻尼的影响,而且较好地考虑了河谷地形的影响,保证了大坝动力计算的地震动输入的合理性。然后利用多输出支持向量机代替有限元计算,需要的样本数量相对较小,并且避免了传统单一支持向量机容易忽略监测数据间的相关性的问题,精度满足计算的要求,最后利用粒子群优化算法对反演参数进行优化选择。对糯扎渡心墙堆石坝动力参数的反演结果表明,测点加速度与实测值吻合较好。说明提出的方法是可行的,适用于弱震情况,可以为缺乏强震或震害资料的坝体动参数反演提供依据。最大动剪切模量系数C值与三轴试验方法和缩尺效应等有关,反演得到的堆石料最大剪切模量系数C值比室内动三轴试验值偏大,可以为室内试验值修正提供参考;并且由于受到上游蓄水的原因,反演得到上游堆石料最大动剪模量系数C值又比下游堆石料小40%左右,工程应用时室内试验值建议予以适当的修正。     

循环扭剪作用下黄土的动剪切特性试验研究

原状黄土具有显著的结构性,在增湿及循环剪切作用下均可导致其结构破坏。通过不同固结围压条件下大尺寸原状黄土圆筒试样的动扭剪试验,测试分析了原状黄土从小应变到大应变的动应力应变关系,动剪切模量和阻尼比的变化规律,以及逐级增大循环扭剪作用下黄土的剪切强度。得到了10^-5~10^-2剪切应变范围内黄土动剪切模量随固结围压和含水率的变化规律,分析了黄土最大动剪切模量随黄土构度的变化规律。建立了黄土最大动剪切模量与构度和固结围压的关系式。揭示不同固结围压条件下不同含水率黄土的阻尼比随动剪应变对数值的变化分布在一个带内;循环扭转作用下圆筒黄土样存在两组破坏面。     

钢箱梁非弹性剪滞建模

对钢箱梁中非弹性剪滞性能进行研究。带翼缘受弯构件中的剪滞效应经常被认为是不均匀的纵向变形和沿翼缘的正应力。弹性剪滞性能被广泛研究并在结构设计中给予考虑,然而对非弹性剪滞涉及较少。带翼缘受弯构件在其极限状态下可能会发生塑性变形,故采用基于最小功的方法来模拟非弹性剪滞性能。在非弹性剪滞模型中,有效模量采用公式表达,泊松比按塑性理论取值。通过两个钢箱梁的试验结果对该分析方法进行验证。经与试验数据对比后表明,所给出的变分法可以精确地得到钢箱梁的塑性正应变分布和变形。     

基于累积损伤理论的土石坝地震永久变形分析

以龙冈的在不规则荷载作用下土体应变的累积损伤理论为基础,提出了基于累积损伤理论的土石坝地震永久变形分析方法。采用大型静力和动力三轴仪,对某土石坝筑坝材料的静动变形特性进行了试验研究,确定了筑坝材料的静力和动力应力应变关系、累积应变模型和相应的材料参数。利用该方法,分别对在日本2008年6月14日岩手—宫城内陆M7.2级地震作用下该土石坝的在建坝体和竣工后坝体的地震永久变形特性进行了研究。结果表明：在建坝体的坝内沉降计算值与现场实测值基本吻合,并且通过与其它土石坝实测值的比较,说明竣工后坝体的坝顶沉降预测值在合理范围之内。