土坝应力应变分析查看源代码讨论查看历史

土坝应力应变分析

应力与应变分析 强度理论 来自 文档网 的图片

中文名：土坝应力应变分析 外文名：stress and strain analysis earth and rockfill dam

土坝应力应变分析，对土石坝坝体和坝基在各种基本及特殊荷载组合作用和各种工作条件下产生的应力及变形进行的计算分析。

土石坝应力变形分析的任务是：

① 断坝体是否存在拉应力区和剪切破坏区，判断可能形成裂缝的部位，黏性土防渗体是否会发生水力劈裂现象。

②分析坝体稳定性。

③为刚性防渗结构提供设计依据。

④估算预留坝顶沉降超高值。

土石坝应力变形分析的方法有理论计算法、数值计算法和模型试验法。

土石坝应力变形分析的目的

随着土工理论的快速发展和计算机技术在土工计算中的应用，土石坝应力变形计算显得尤为重要，归纳起来有如下目的和用途。

(1)分析土石坝在承载时的内力传递情况；

(2)计算坝体的位移和沉降；

(3)分析可能的滑动破坏过程；

(4)研究坝体发生裂缝以及防渗体遭受水力劈裂的可能性；

(5)分析坝体发生塑性流动的可能性。应力分析首先需要选择好描述土的应力-应变关系的模型或称本构模型。研究得较深入的是以连续介质力学为基础的弹塑性本构模型。

土石坝材料的应力-应变关系的特性

①非线性、非弹性。应力-应变曲线没有或只有极不明显的线弹性区，加载后将产生塑性变形。

②应力-应变曲线随围压应力而变化。

③剪胀(或缩)性。对于正常固结粘性土、松砂，三轴剪切试验结果表明：在加荷时体积发生收缩；对于超固结粘性土、紧密砂，在加荷初期体积稍有收缩，随着荷载的增加，体积迅速增大，即出现剪胀现象。

④不同的应力路径和应力历史影响土变形的结果。

⑤固结和蠕变特性。

⑥各向异性。由于水平和竖直方向土的结构存在着差异，使土在诸多方面表现为各向异性。

对于高土石坝来说，土的非线性问题显得更为突出。要精确地计算土坝应力及变形极为困难。

20世纪60年代以前提出的各种理论计算法都很简单粗略，60年代以后，开始应用有限单元法按土的非线性特性计算土石坝应力及变形。土的应力应变分析包括：建立土的本构模型、确定计算参数、计算方法以及实际验证等。土的本构关系有许多模型，但大致有非线性弹性和非线性弹塑性两大类。在SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》中，土石坝“应力应变计算宜采用非线性弹性应力应变关系分析，也可采用弹塑性应力应变关系分析”。

中国最常用的非线性弹性模型是Duncan-Chang提出的双曲线模型。这是双曲线型非线性弹性模型，由康德纳(Kondner)于1963年提出，后经Duncan-Chang改进，根据三轴试验的应力一应变关系曲线整理得出的，主要反映了轴对称条件下土的应力一应变特性。这种模型比较简单，所需要的参数也比较容易获取，计算刚度矩阵方便，同时又能近似地反映土石材料的非线性特性。Duncan-Chang模型是近似的本构关系，它不适于描述土的残余变形特性，不能反映土的剪胀性。应在深入了解其适用条件的基础上，参考现有工程经验选择计算参数，使之更好地反映现场条件下土的特性。

非线性弹塑性模型中，常用的有黄文熙提出的弹塑性模型、沈珠江提出的双屈服面弹塑性模型、河海大学提出的椭圆-抛物双屈服面模型等。我国沈珠江院士提出的三维弹塑性模型和高莲士教授提出的非线形解耦K-G模型，对上述问题做了深入的研究。与Duncan-Chang模型相比，具有较大的优越性。

土的应力及应变计算的参数一般用三轴仪试验测定。经比较试验，对最大粒径为6cm的土体，采用常规的30cm直径的三轴仪，与采用直1m左右的三轴仪抗剪强度指标无明显差别，但应力应变关系有所不同。土石坝的应力状态接近平面应变，而常规三轴试验是轴对称的，实际测定的抗剪强度大于试验值，两者应力应变曲线形态也有所不同。同时，不同的应力路径试验也给出不同的成果。所以确定计算参数时，还要参照已建工程经验或对原型监测资料作反馈分析，经多方面比较后确定。

有限单元法能模拟土石坝逐级加荷的施工过程、多种材料坝和复杂的边界条件，能求解空间问题，并已发展到能考虑筑坝土石料的塑性、剪胀(或缩)性、动力特性、固结和蠕变等问题，比较接近土石坝的实际工作状况。由于土的应力-应变关系的复杂性，材料常数等都是变量而不是常量，要寻找一个数学模型来全面地、正确地表达土的特性十分困难，因此，作出一定程度的简化是必要的。有限单元法计算成果的精确性，取决于选用的数学模型及其参数的准确性。

SL274--2001《碾压式土石坝设计规范》中规定，考虑到应力应变分析结果的影响因素众多，填土材料特性比较复杂，计算结果在定量上不成熟，故仅规定对高坝应尽可能进行应力和应变分析。由于土石坝是分层碾压填筑的，加载和卸载过程应模拟实际施工填筑和蓄水过程，采用相应的参数，使计算尽量仿真。

视频

李顺群：应力应变状态表示方法研究