深覆盖层上土石坝心墙与防渗墙连接型式研究

深厚覆盖层上建造的土石坝常采用封闭式防渗系统。当心墙坝防渗系统坝体采用沥青混凝土心墙、坝基采用封闭式防渗墙时,心墙混凝土基座、防渗墙与相邻土体之间将产生不均匀沉降,易引起基座混凝土断裂和坝壳及覆盖层土体剪切破坏。针对心墙坝坝体心墙与坝基防渗墙合理的连接型式问题,结合某水库工程,采用非线性有限元法,建立三维有限元模型,分析研究了心墙基座与防渗墙不同连接型式下坝体与坝基的变形和应力。通过坝体和坝基的变形协调分析以及心墙基座和防渗墙的应力分析,推荐了合理的连接型式,即深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝坝基采用封闭式防渗墙时,宜采用心墙基座与防渗墙间预留空隙的连接型式,其空隙大小与坝基覆盖层厚度及其力学特性以及防渗墙弹性模量有关,需经计算分析确定。     

高土石坝变形破坏过程预测理论和防控技术创新

中国是世界上高土石坝数量最多的国家,复杂建坝条件和恶劣服役环境下高土石坝建设和长期安全保障面临严峻技术挑战。介绍了“十三五”国家重点研发计划项目“复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术”的主要成果：揭示了粗粒土颗粒破碎对高土石坝变形的影响机制、粗粒土加载变形和流变变形服从不同流动准则的规律,以及坝基深厚覆盖层原位结构损伤演化规律,建立了精准预测高土石坝坝体和坝基变形发展过程和分布规律的本构理论;基于计算接触力学理论建立了模拟高土石坝不同材料界面复杂接触问题的非线性数值计算方法和模拟高土石坝三维裂缝萌生—扩展全过程的数值计算方法;发展了实用的非饱和土固结理论,实现了高心墙坝全生命期变形与渗流耦合过程的精细模拟;建立了高面板坝面板太阳热辐射温度应力场和结构破损过程模拟计算方法;研发了适用于高土石坝填筑、蓄水、运行等全过程模拟的高性能软件平台;针对特高土石坝建设和运行过程中常见病害,提出了相应的特高土石坝变形破坏防控技术。     

青山嘴水库土石坝的地震响应和液化分析

根据饱和土体固-液两相介质的振动固结模型,采用非线性静力本构模型(Duncan-Chang模型)及摩尔库仑强度准则和土的动力模型(Hardin模型)对青山嘴水库土石坝进行了地震作用下的动力反应有限元分析,得到了振动期孔压增长与消散过程.分析表明,该坝不会出现液化现象.     

坝基覆盖层工程特性试验新方法研究与应用

中国西南地区正在或即将建设的高土石坝工程中,很多都涉及深厚覆盖层。在深厚覆盖层上建高土石坝,覆盖层坝基变形受力状态对坝体安全起重要作用。针对深厚砂砾石覆盖层取样困难而无法准确合理确定其天然密度,进而影响室内力学和渗透试验的开展,提出了利用旁压或动探试验间接推求天然砂砾石覆盖层密度的新方法,成功应用于乌东德深厚覆盖层工程特性研究,获得了覆盖层天然密度,较好的解决了深厚覆盖层工程特性测试难题。同时,针对新方法中存在的两个技术难题,基于室内模型试验验证了动力触探杆长修正系数的演化规律符合牛顿弹性碰撞理论,研制了一种的新型旁压仪的探头,实现了深厚覆盖层中旁压试验全过程测量。上述研究成果为进一步提升深厚覆盖层上高土石坝坝基变形预测与设计水平提供了重要技术支撑。     

无限元在超深厚覆盖层坝基动力分析中的应用

基于ABAQUS软件平台进行二次开发,开展了基于无限元-有限元耦合的超深厚覆盖层坝基动力仿真模拟,初步探讨了强震区超深厚覆盖层坝基地震波传播过程与坝基-坝体动力反应特性。文中首先介绍了ABAQUS无限元计算时地震波的施加方法,其次给出了数值模型网格与相应的计算参数,最后通过计算得到了深厚覆盖层坝基及上覆坝体的加速度、动位移、动应力等动变量的发展历程。研究结果定性地捕捉到超深厚覆盖层坝基及上覆坝体中地震加速度传播过程与变形发展过程,直观反映了软弱土层的隔振作用,为研究超深厚覆盖层坝基动力反应提供了一条新思路。     

基于物态本构模型的土体动力反应分析方法

通过对现有土体动力反应分析方法的分析,提出了新的有效应力物态地震反应分析方法。首先,建立了能够全面反应饱和土体的应力应变非线性、硬化性、剪切胀缩性和压密回胀性、应力路径相关性以及球应力和偏应力与变形的耦合性等主要特征的有效应力物态动本构关系。其次,以动力固结理论和瞬态动力学理论为基础,将该本构关系引入到以动力反应与动力固结相耦合、静应力和动应力变化相耦合,孔压产生、扩散和消散相耦合、能够较全面反映动力作用下土体应力应变反应的真实过程为特点的三维瞬态动力方程组,形成了饱和砂土体有效应力物态地震反应分析的完整理论体系。最后,开发了新的动力固结三维有限元分析程序,通过对一个饱和路基的计算和分析,不仅得到了合理的土体动力性状,而且验证了该分析方法与程序的正确性。     

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。     

土石坝黏土心墙的材料动力特性试验

以土石坝黏土心墙料为研究对象,结合工程实际情况,考虑不同固结围压对黏土心墙料动力特性的影响。通过循环振动三轴试验,对黏土心墙料在选定的5组固结围压状态下表现出来的动力特性进行研究,得出固结围压的变化对其产生的影响。在研究的固结围压范围内,固结围压对动弹性模量的影响较大,动弹性模量随固结围压的增大而提高;最大动弹性模量与平均主应力间具有良好的幂函数关系,随着平均主应力的增大呈指数增长;阻尼比曲线与动剪模量比曲线在不同的固结围压状态下表现出了良好地归一化特性。     

碧口心墙堆石坝抗震复核分析

 经历“5•12”汶川大地震后,碧口心墙堆石坝出现不同程度的震损现象。根据汶川地震自由场峰值加速度随断层距的衰减关系,利用距坝址较近的文县地震台站(062WIX)实测记录,推求碧口水电站坝址岩基输入加速度时程。通过类比相关工程室内大型动三轴试验资料,结合筑坝材料的工程特性,确定大坝填料的动力模型参数。基于三维动力有限元分析TSDA程序,计算得到的大坝震后永久变形、心墙动孔隙水压力与实测资料较为接近;大坝的绝对加速度反应不大,最大放大倍数仅为2.36倍,坝基防渗墙的动力反应也较小。由于坝址区位于汶川地震发震断层的上盘,虽然地震持续时间较长,但地震波的高频分量发育,大坝的动力反应小于依据《水工建筑物抗震设计规范》设计反应谱合成规范波的对应值。研究结果表明,采用现代重型振动碾压技术填筑的碧口心墙堆石坝具有良好的抗震性能,现阶段土石坝抗震计算理论与方法基本合理。     

刚柔性法向接触对混凝土防渗墙应力的影响研究

为在深厚覆盖层上高土质心墙堆石坝的设计中准确预测混凝土防渗墙的应力,开展了防渗墙刺入黏土的模型试验,利用CT断层扫描获得了防渗墙顶端土体的变形性状;提出在防渗墙顶端与土体的法向接触模拟中,应采用柔性法向接触本构模型;建立了有限元模型,研究了刚柔性法向接触对混凝土防渗墙应力的影响。结果表明:防渗墙顶端切削周边土体,发生了明显的刺入位移;刚性法向接触本构模型不允许接触面发生嵌入,因而防渗墙顶端周边土体对防渗墙的约束效应过于强烈,导致防渗墙顶端较高的压应力;柔性法向接触本构模型允许一定程度的接触面嵌入,接触面嵌入位移可理解为实际刺入位移,可较好地模拟实际工程中防渗墙刺入黏土的冲切破坏现象。     

拉哇水电站上游围堰渗流与应力变形动态耦合仿真分析

深厚低渗透土层天然地基上的土石围堰基础中,常常需要采用碎石桩等处理措施缩短固结排水距离,以控制堰基超孔隙水压力的累计幅度,加速其消散速度,从而减小堰基的变形,提高防渗体系的结构安全性和堰基的抗滑稳定性.基于拉哇水电站上游围堰设计论证和优化的需要,发展了围堰填筑和基坑开挖全过程渗流与应力变形耦合的二维和三维有限元仿真方法...     

应用样条有限元方法分析饱和土体的地震效应

采用有效应力原理，以Biot固结理论为基础，用B样条函数构造了考虑地震效应的土体振动孔隙水压力，位移及应力的数值计算方法，用一实例说明其与一般有限元计算方法的计算结果相符合。     

混凝土芯砂石桩复合地基现场试验研究

从控制工后沉降和差异工后沉降思想出发,介绍了混凝土芯砂石桩复合地基加固深厚软基新技术。混凝土芯砂石桩复合地基采用按沉降或工后沉降控制设计思路,以土工格栅加筋碎石垫层作为基底垫层,芯桩砂石壳作为竖向排水体,预制钢筋混凝土芯桩作为竖向增强体,堆载作为加压系统。该技术充分利用了芯桩砂石壳的排水作用,使桩间软土的固结和沉降在施工和预压期间大部分完成,以解决路堤等建筑物在使用期间的沉降和不均匀沉降问题,达到控制工后沉降和差异工后沉降及充分发挥桩间软土承载力的目的。文中对路堤荷载下的芯桩顶应力和桩间土应力、桩顶和桩间土的沉降和差异沉降、分层沉降、侧向位移、超静孔隙水压力和桩身钢筋应力进行了较全面的现场观测,结果表明:混凝土芯砂石桩复合地基法工后沉降和差异工后沉降小,沉降稳定快,能适应快速加荷和质量可靠,特别适合于高含水率、高有机质含量地区对工后沉降和工后沉降差有严格要求的深厚软基处理,同时论证了该工法的有效性和优越性,具有较大的推广应用价值。     

考虑流固耦合作用的高土石坝动力分析

在土石坝施工、蓄水和遭遇地震时,流固耦合作用对土石坝的静动力响应有重要影响,应在计算分析中有所考虑。以糯扎渡高心墙堆石坝为例,选用莫尔–库仑弹塑性模型来描述坝料的力学性质,并采用流固耦合的方法对该坝进行了静动力分析。静力分析中模拟了大坝施工和蓄水过程,然后基于静力分析得到的初始应力场,采用完全耦合的非线性方法研究了大坝的地震动力响应。该分析方法能够更为合理准确地描述土石坝在地震动作用下残余变形的发展及超静孔压的累积和消散过程。计算结果表明:超静孔隙水压力随地震过程逐渐累积,最大值出现在心墙的底部;由于鞭梢效应,加速度放大系数在坝顶处达到最大;水平和竖直方向的永久变形同样都是在坝顶处达到最大值。     

固结应力比对土样动强度和动孔压发展规律的影响

回顾了初始剪应力对土样动强度和和动孔压发展规律的影响,使用动三轴对某土石坝坝基饱和砂砾石料进行动强度试验,研究固结应力比Kc对土样动力特性的影响。分析试验结果如下:所有土料都存在一个转折点Kc′:KcKc′时动强度随Kc的增大而降低,动变形和动孔隙水压力随Kc的增大有稍许加大趋势。转折点Kc′的具体数值与土料性质及所受应力状态有关。本次试验Kc=0.5～3.0,转折点Kc′为2.8左右。Kc过大后,初始剪应力较高、剩余强度较低而导致动强度降低。偏压固结Kc=0.7～1.3时,试验土料最终孔压值均可达到围压;偏压固结Kc≥1.5后,试样最终孔压值是否可达到围压取决于动应力σd是否大于主应力差(σ1c-σ3c),即σd是否形成拉应力使试件伸长。但当Kc很大后,σ1c和σ3c相差太大,需施加非常大的动应力σd才能使其应力应变反向,试样不可能达到初始液化。     

循环孔隙水压力作用下饱和砂土变形的试验研究

波浪荷载的作用会在近海砂体基础中产生循环孔隙水压力,研究循环孔隙水压力作用下砂床土体的力学行为对海岸和近海工程有重要意义。本文选用福建标准砂为研究对象,自动控制水压力发生装置作为动力源,通过固结不排水三轴试验,研究分析了在循环孔隙水压力作用下影响饱和砂土变形性能的试验参数。试验结果表明,当固结应力比、频率较大,而相对密度较小时,试样有较大的变形,更容易发生破坏。最后,绘制了试样轴向应变与动孔隙水压力系数的关系曲线,并分析了曲线的变化规律。     

土坝渗流对稳定性影响的模拟分析

1前言流体通过多孔介质的流动称为渗流。当地表水浸入边坡后,渗流不仅对接触面有压力和浮力,而且颗粒骨架本身也受到渗透水流的浮力和拖拽作用。因此,渗流对介质的作用力除了整体介质四周表面所受压力外,还必须研究骨架间孔隙水的作用力。此外,由于地表水的浸入,导致土的抗剪强     

Mesh-free Method for Soil-water Coupled Problem within Finite Strain and Its Numerical Validity

A formulation of the Element-Free Galerkin Method (EFG method), i.e., one of the mesh-free/meshless methods developed in the field of computational mechanics for solving partial differential equations, is furnished for consolidation within finite strain and its validity for application to soil-water coupled problems is examined through a numerical analysis. The numerical strategy is constructed to solve a set of governing equations, e.g., the equilibrium for the nominal stress rate and the continuity of pore water, and the numerical discretization of the weak form of the governing equations leads to an updated Lagrangian scheme. The accuracy of the proposed numerical strategy is examined through an analysis of unconfined compression tests and simple shear tests under undrained and plane strain conditions through a comparison of stress paths integrated directly from the Cam-clay model within the framework of finite strain. It is also revealed that the particular type of weight function to be adopted in the moving least-squares (MLS) approximation, even in the same order, can determine the resultant shape functions of the EFG method for both the displacement and the pore water pressure field such that they are smoother than those of the usual FEM. The functions are advantageous in that they avoid spatial instability in the numerical solutions for pore water pressure under undrained conditions appearing in saturated soil column tests, where the shape function of the pore water pressure in the conventional FEM computation is adopted as a lower order than that of the displacement to remedy this type of numerical difficulty. To emphasize the applicability and the feasibility of the mesh-free computation, the consolidation phenomena are demonstrated in the analysis of a punch problem for a soft soil foundation which has stress singularity under both ends of a rigid loading platen for the same problem which Yatomi et al. (1989) solved with FEM.     

#br# 基于永久位移的边坡地震稳定性安全评价方法研究

基于室内动三轴试验方法研究了最大动孔隙水压力随最大偏应力和平均有效应力的变化规律,提出了砂质边坡最大动孔隙水的简化计算方法,将其代入永久位移的计算式中提出了可以考虑动孔隙水压力影响的边坡永久位移简便计算方法|通过开展室内振动台试验验证了永久位移简便计算方法的准确性,并进一步研究了地下水位对砂质边坡破坏模式的影响规律,最后提出了边坡基于性能的地震稳定性安全评价方法,并形成了一套结合永久位移的边坡地震稳定性评价新思路。研究表明,无地下水时,边坡的破坏开始于坡顶,表现出了明显的“鞭梢效应”|在较高水位时边坡的破坏开始于坡脚,且边坡顶部有明显的震陷现象|通过将本文建立的边坡动孔隙水压力的简化关系式和永久位移简便计算方法与室内试验值进行了对比,验证了其准确性。最后建立了基于安全系数和永久位移的边坡地震稳定性评价体系为坡体稳定性判识提供参考。     

可液化地基单桩基础离心机模型试验的三维数值分析

文章通过三维水土耦合动-静一体有限元程序DBLEAVES对饱和砂土地基（Dr=40%）单桩基础的离心机模型试验进行模型试验相对应的原型三维有限元数值模拟和分析。对比分析小震（峰值加速度0.08g）和大震（峰值加速度0.47g）情况下的土体加速度、超静孔隙水压、沉降位移以及桩身弯矩等变化规律。其中,地基土的性质采用应力诱导各向异性的交变移动弹塑性模型模拟,基桩采用弹性梁单元模型模拟。结果表明：①超静孔隙水压会“隔断”振动波的传递,当土体接近完全液化时,土表面峰值加速度会明显小于输入波峰值加速度,而当超静孔隙水压比较小时,土表面加速度相对于输入波则可能会放大;②地震时所达到的最大超静孔隙水压比是地基土沉降量的主要因素之一,且一大部分沉降发生在震后的孔压消散期;③数值模拟与模型试验结果的对比分析表明,交变移动模型可以较好地反映土体在交变荷载下的动力响应特性,验证了所采用的DBLEAVES程序和有限元方法的有效性。