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土壩應力應變分析

應力與應變分析 強度理論 來自 文檔網 的圖片

中文名：土壩應力應變分析 外文名：stress and strain analysis earth and rockfill dam

土壩應力應變分析，對土石壩壩體和壩基在各種基本及特殊荷載組合作用和各種工作條件下產生的應力及變形進行的計算分析。

土石壩應力變形分析的任務是：

① 斷壩體是否存在拉應力區和剪切破壞區，判斷可能形成裂縫的部位，黏性土防滲體是否會發生水力劈裂現象。

②分析壩體穩定性。

③為剛性防滲結構提供設計依據。

④估算預留壩頂沉降超高值。

土石壩應力變形分析的方法有理論計算法、數值計算法和模型試驗法。

土石壩應力變形分析的目的

隨着土工理論的快速發展和計算機技術在土工計算中的應用，土石壩應力變形計算顯得尤為重要，歸納起來有如下目的和用途。

(1)分析土石壩在承載時的內力傳遞情況；

(2)計算壩體的位移和沉降；

(3)分析可能的滑動破壞過程；

(4)研究壩體發生裂縫以及防滲體遭受水力劈裂的可能性；

(5)分析壩體發生塑性流動的可能性。應力分析首先需要選擇好描述土的應力-應變關係的模型或稱本構模型。研究得較深入的是以連續介質力學為基礎的彈塑性本構模型。

土石壩材料的應力-應變關係的特性

①非線性、非彈性。應力-應變曲線沒有或只有極不明顯的線彈性區，加載後將產生塑性變形。

②應力-應變曲線隨圍壓應力而變化。

③剪脹(或縮)性。對於正常固結粘性土、松砂，三軸剪切試驗結果表明：在加荷時體積發生收縮；對於超固結粘性土、緊密砂，在加荷初期體積稍有收縮，隨着荷載的增加，體積迅速增大，即出現剪脹現象。

④不同的應力路徑和應力歷史影響土變形的結果。

⑤固結和蠕變特性。

⑥各向異性。由於水平和豎直方向土的結構存在着差異，使土在諸多方面表現為各向異性。

對於高土石壩來說，土的非線性問題顯得更為突出。要精確地計算土壩應力及變形極為困難。

20世紀60年代以前提出的各種理論計算法都很簡單粗略，60年代以後，開始應用有限單元法按土的非線性特性計算土石壩應力及變形。土的應力應變分析包括：建立土的本構模型、確定計算參數、計算方法以及實際驗證等。土的本構關係有許多模型，但大致有非線性彈性和非線性彈塑性兩大類。在SL274—2001《碾壓式土石壩設計規範》中，土石壩「應力應變計算宜採用非線性彈性應力應變關係分析，也可採用彈塑性應力應變關係分析」。

中國最常用的非線性彈性模型是Duncan-Chang提出的雙曲線模型。這是雙曲線型非線性彈性模型，由康德納(Kondner)於1963年提出，後經Duncan-Chang改進，根據三軸試驗的應力一應變關係曲線整理得出的，主要反映了軸對稱條件下土的應力一應變特性。這種模型比較簡單，所需要的參數也比較容易獲取，計算剛度矩陣方便，同時又能近似地反映土石材料的非線性特性。Duncan-Chang模型是近似的本構關係，它不適於描述土的殘餘變形特性，不能反映土的剪脹性。應在深入了解其適用條件的基礎上，參考現有工程經驗選擇計算參數，使之更好地反映現場條件下土的特性。

非線性彈塑性模型中，常用的有黃文熙提出的彈塑性模型、沈珠江提出的雙屈服面彈塑性模型、河海大學提出的橢圓-拋物雙屈服面模型等。我國沈珠江院士提出的三維彈塑性模型和高蓮士教授提出的非線形解耦K-G模型，對上述問題做了深入的研究。與Duncan-Chang模型相比，具有較大的優越性。

土的應力及應變計算的參數一般用三軸儀試驗測定。經比較試驗，對最大粒徑為6cm的土體，採用常規的30cm直徑的三軸儀，與採用直1m左右的三軸儀抗剪強度指標無明顯差別，但應力應變關係有所不同。土石壩的應力狀態接近平面應變，而常規三軸試驗是軸對稱的，實際測定的抗剪強度大於試驗值，兩者應力應變曲線形態也有所不同。同時，不同的應力路徑試驗也給出不同的成果。所以確定計算參數時，還要參照已建工程經驗或對原型監測資料作反饋分析，經多方面比較後確定。

有限單元法能模擬土石壩逐級加荷的施工過程、多種材料壩和複雜的邊界條件，能求解空間問題，並已發展到能考慮築壩土石料的塑性、剪脹(或縮)性、動力特性、固結和蠕變等問題，比較接近土石壩的實際工作狀況。由於土的應力-應變關係的複雜性，材料常數等都是變量而不是常量，要尋找一個數學模型來全面地、正確地表達土的特性十分困難，因此，作出一定程度的簡化是必要的。有限單元法計算成果的精確性，取決於選用的數學模型及其參數的準確性。

SL274--2001《碾壓式土石壩設計規範》中規定，考慮到應力應變分析結果的影響因素眾多，填土材料特性比較複雜，計算結果在定量上不成熟，故僅規定對高壩應儘可能進行應力和應變分析。由於土石壩是分層碾壓填築的，加載和卸載過程應模擬實際施工填築和蓄水過程，採用相應的參數，使計算儘量仿真。

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