考虑裂缝发展的渗流与应力耦合数值分析方法研究

作     者：高笑 

作者单位：西北农林科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李宗利

授予年度：2014年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：裂缝 渗流场 渗透系数张量法 单元尺寸 场变量 数值模拟 

摘      要：高坝、地下洞室等结构的渗流场数值分析是目前热点研究课题。在持续的高水压作用下,绝大多数混凝土高坝坝基、坝踵以及坝体内部会产生裂缝或者造成裂缝发展,会引起渗流场的变化。开裂问题属于变边界问题,需不断地重新划分网格解决裂缝的扩展,计算效率低。目前,国内外学者还未提出完善的理论来解决裂缝扩展对渗透场的影响。所以本文在等效连续介质模型的框架下,基于不变网格方法,提出渗透系数张量修正法,以研究裂缝发展对渗流场的影响;并结合裂缝带断裂模型成熟理论,研究裂缝发展对渗流应力耦合效应的影响。本文主要的研究内容与结论如下:(1)基于等效连续介质模型不变网格方法和流量等效原理,提出渗透系数张量修正法,并通过推导得到破裂单元的渗透系数张量表达式。应用ABAQUS软件建立裂缝依次位于构件边界和内部分析模型,对渗透系数张量修正法进行验证。研究表明,通过该方法修正破裂单元的渗透性能以研究裂缝对渗流场的影响是合理可行的。还通过不断改变修正单元大小与裂缝宽度之间的关系,以研究渗透系数张量修正法对网格大小的依赖性。结果表明,仅从渗流量角度,修正单元尺寸不大于600倍裂缝宽度;仅从孔隙水压角度,修正单元尺寸不大于200倍裂缝宽度;兼顾二者时,则要求修正单元不大于200倍裂缝宽度。(2)应用FORTRAN对ABAQUS数值分析软件中的场变量子程序(USDFLD)进行二次开发,定义单元渗透系数张量所需的场变量,以实现裂缝在扩展时,应用渗透系数张量修正法对单元渗透系数的自动化修正。通过对简单模型的对比分析,验证了已开发的场变量子程序能够实现单元渗透系数的自动化修正。(3)基于成熟的裂缝带断裂模型理论,应用FORTRAN对材料用户子程序(UMAT)进行二次开发,修正破裂单元的材料弹性矩阵,并结合渗透系数张量修正法,通过人为假定裂缝向前扩展,对具体工程实例进行考虑裂缝发展的渗流应力耦合分析。结果表明,裂缝在不断地向前发展时,修正单元内会发展为缝前全水头,其对裂缝附近区域的渗流场和应力场影响较大,对较远区域则影响不大;而其对位移场影响则较小。