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岩土力学 2017年第1期38卷 284-290页

作者：熊勇林朱合华叶冠林叶斌宁波大学岩土工程研究所浙江宁波315211 同济大学地下建筑与工程系上海200092 上海交通大学土木工程系上海200240

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等^([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑... 详细信息

为了全面地了解降雨入渗引起的边坡失稳破坏机制,基于有限元-有限差分理论(FE-FD scheme)的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元数值分析方法被提出。程序中采用了Zhang等^([1])提出的以Bishop有效应力和饱和度作为状态变量的非饱和土弹塑性本构模型,从而可以连续地描述在降雨入渗时土体由非饱和状态转化为饱和状态过程中力学特性的变化。同时用Green-Naghdi客观应力速率张量来考虑边坡失稳过程中的大变形问题。程序不仅可以模拟由于降雨入渗引起的水分迁移、孔隙水/气压力变化的过程,而且可以很好地反映出由于降雨入渗所引起的边坡变形、塑性剪切带形成等力学行为。选取室内边坡模型试验为研究对象,用所提出的水-土-气三相渗流-变形耦合有限元程序来进行数值模拟,并与试验结果对比,验证了所提出的有限元数值方法的有用性。

关键词：水-土-气耦合分析渗流-变形耦合分析有限元非饱和降雨入渗边坡破坏

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土石坝渗流-变形耦合特性数值计算

土石坝渗流-变形耦合特性数值计算

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作者：朱秀燕昆明理工大学

学位级别：硕士

随着坝工技术的发展,土石坝以其自身具有就地取材、对地形及地质适应性强、施工灵活且速度快、造价低等优点,在世界坝工建设中应用最为广泛,且随着近年来施工机械、岩土力学及计算理论和技术的发展,加之筑坝材料的使用范围被放宽,进而... 详细信息

随着坝工技术的发展,土石坝以其自身具有就地取材、对地形及地质适应性强、施工灵活且速度快、造价低等优点,在世界坝工建设中应用最为广泛,且随着近年来施工机械、岩土力学及计算理论和技术的发展,加之筑坝材料的使用范围被放宽,进而工期大大缩短,使得土石坝成为当今世界坝工建设中发展最快的一种坝型。对于土石坝来说,土体通常同时承受应力变形和渗流作用,土体受力变形导致其渗透性变化,渗透性的变化又将改变渗流场,渗流场的变化进而对土体的受力变形施加影响,这种相互作用、相互影响的特性,即渗流-变形耦合作用。而土体的渗流-变形耦合作用通常就是导致土石坝工程失事的主要原因,因此,土体渗流-变形耦合作用的研究对实际工程具有重要的意义。本文通过建立理想均质土坝计算模型,结合有限元分析软件Auto BANK和邓肯-张E-B模型,首先对其进行渗流场的分析,揭示了坝身材料为不同初始渗透系数条件下稳定、非稳定渗流的一般规律。其次,将所得渗流场叠加到其应力场,进行稳定、非稳定状态下的渗流-变形耦合计算并分析其变化规律。再建立理想心墙坝计算模型,同样对其进行渗流-变形耦合计算,对比分析均质坝与心墙坝的耦合结果。再以理想均质坝为原型,结合前人的研究成果,得出土体渗透系数k随时间t变化的结果,并拟合相应的函数公式。最后,结合两河口高心墙堆石坝工程实例,采用拟合的函数公式计算其心墙料渗透系数的变化,与不考虑心墙料渗透系数变化的计算结果进行对比,并得出一定的规律和结论。如下所示:(1)通过稳定渗流及相应的渗流-变形耦合计算得出,理想均质坝坝身材料渗透系数不论多大,其所得最终渗流及渗流-变形耦合结果一致,表现为水压、水头及浸润线的分布相同,仅单宽渗流量和稳定渗流流速随渗透系数呈线性正相关变化;水平位移、竖向沉降量、大小主应力及应力水平的分布相同。(2)通过非稳定渗流-变形耦合条件下的计算可知,均质坝坝身材料渗透系数不变时,其非稳定过程中的所有要素均在水位上升期变化较快,水库满蓄水后变化速率逐渐减慢直至稳定,例如水压、总水头、浸润线、位移变形、大小主应力等要素。改变均质坝坝身材料的渗透系数分别计算时,得出所有要素的变化速度随渗透系数减小而减小,达到稳定状态的时间也更久。(3)对理想心墙坝的计算分析可以得出,其水压的变化主要发生在心墙内部,浸润线的抬高变化主要发生在水位变化期间,高水位之后这种变化将变得相对缓慢,直至稳定;从心墙坝竣工期及稳定状态的变形结果均可明显观察到心墙的“拱效应”现象,这是由于心墙与坝壳堆石料的变形不一致、不协调。(4)结合前人建立的粘性土渗透性变化数学模型,以理想均质坝为计算基础,得出在整个非稳定渗流过程中,其坝身材料渗透系数总体呈现出迅速减小再逐渐减小收敛于某一稳定值的变化趋势,并拟合得到渗透系数k与时间t的函数关系式。(5)以两河口高心墙堆石坝为例,进行考虑心墙粘性土渗透系数改变的计算,通过对比蓄水期末及稳定状态时心墙粘性土k不变、k变化的计算结果发现,心墙粘性土考虑渗透系数变化的计算结果更加合理。

关键词：渗透系数稳定渗流非稳定渗流渗流-变形耦合分析两河口心墙堆石坝

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