土石壩地震永久變形及抗震穩(wěn)定性數(shù)值分析方法研究.pdf

1、該文通過(guò)理論分析與數(shù)值計(jì)算等手段對(duì)于土石填筑壩地震永久變形分析方法與抗震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了比較深入而系統(tǒng)的探索。 主要研究工作： 1.基于傳統(tǒng)的解析型一維剪切條模型，提出了土石壩地震動(dòng)力響應(yīng)分析的離散型剪切條模型。首先將壩體沿壩高離散為一系列具有不同剪切剛度與阻尼比等參數(shù)的層狀體系，建立了各層的振動(dòng)控制方程及其初邊值條件，進(jìn)而運(yùn)用數(shù)學(xué)物理方程方法進(jìn)行了數(shù)學(xué)求解，確定了體系的振動(dòng)特性，并根據(jù)振型分解法和Duhamel積分

2、確定了壩體地震動(dòng)力響應(yīng)的線性解答。進(jìn)而采用等價(jià)線性化方法考慮壩料的動(dòng)力非線性性質(zhì)，通過(guò)對(duì)線彈性響應(yīng)的反復(fù)迭代計(jì)算使得各層土的剪切模量和阻尼比與其相應(yīng)的剪應(yīng)變水平相協(xié)調(diào)，確定了與非線性壩體系統(tǒng)相等效的線性解答，并以此所得到的地震響應(yīng)作為非線性地震響應(yīng)的近似解。最后分別以均質(zhì)土壩和心墻壩作為算例，進(jìn)行了具體數(shù)值計(jì)算，并將所得結(jié)果與有限元數(shù)值解進(jìn)行了對(duì)比分析，論證了所建議分析方法與計(jì)算模型的合理性及適用性。由此表明：離散型剪切條法可以作為一種

3、工程實(shí)用分析方法，為土石壩抗震性能簡(jiǎn)化分析、方案論證階段的多工況對(duì)比計(jì)算或工程設(shè)計(jì)初步階段的抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種簡(jiǎn)便工具。 2.將擬靜力方法與強(qiáng)度折減彈塑性有限元數(shù)值方法相結(jié)合對(duì)土石壩的抗震穩(wěn)定性進(jìn)行了數(shù)值分析。其中分別采用下列兩種方式考慮地震對(duì)壩體的慣性作用效應(yīng)： (1)依據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中所推薦的地震慣性力計(jì)算方法，并結(jié)合有關(guān)土石壩動(dòng)態(tài)分布系數(shù)的推薦取值確定沿壩高分布的地震慣性力。 (2)直接利用

4、土石壩動(dòng)力非線性有限元分析所得到的動(dòng)力響應(yīng)，基于經(jīng)驗(yàn)確定作用于壩體各單元結(jié)點(diǎn)上的地震慣性力。同時(shí)在土石壩擬靜力抗震穩(wěn)定性分析中考慮滲流效應(yīng)，針對(duì)穩(wěn)定滲流期、水位降落期等不同運(yùn)行工況以及采用地震總應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)和地震有效應(yīng)力強(qiáng)度指標(biāo)等不同計(jì)算條件，提出了土石壩抗震穩(wěn)定性分析中強(qiáng)度折減彈塑性有限元方法的數(shù)值實(shí)施技術(shù)。研究表明，這種方法能夠充分發(fā)揮有限元方法的優(yōu)勢(shì)，有效地克服了傳統(tǒng)極限平衡方法的缺陷，能夠同時(shí)考慮沿壩高非均勻分布的地震慣性力作用

5、與非均勻滲流效應(yīng)等復(fù)雜條件的共同影響，由此可以有效地確定復(fù)雜條件下壩坡的極限平衡狀態(tài)及其穩(wěn)定安全系數(shù)。 3.將土石壩動(dòng)力響應(yīng)時(shí)域分析、按照擬靜力方法所確定的潛在滑動(dòng)體平均地震效應(yīng)與根據(jù)擬靜力極限平衡分析所確定的瞬時(shí)超載條件相結(jié)合，考慮地震循環(huán)作用對(duì)抗剪強(qiáng)度的弱化降低效應(yīng)，對(duì)Newmark剛塑性體滑塊模型進(jìn)行改進(jìn)，由此估算地震滑移量，進(jìn)而根據(jù)擬靜力穩(wěn)定安全系數(shù)的時(shí)程變化和累積地震滑移量對(duì)土石壩的抗震穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)： (

6、1)根據(jù)土石壩非線性有限元?jiǎng)恿憫?yīng)分析確定壩坡上某一潛在滑動(dòng)體的平均地震響應(yīng)，并以此作為外荷載，利用極限平衡法或強(qiáng)度折減彈塑性有限元數(shù)值方法確定壩坡擬靜力安全系數(shù)的變化時(shí)程。 (2)將計(jì)算所得到的壩體擬靜力動(dòng)態(tài)安全系數(shù)小于1的時(shí)段作為瞬時(shí)超載，同時(shí)考慮潛在滑動(dòng)體的水平與豎向地震作用的耦合效應(yīng)，利用Newmark滑塊模型計(jì)算由于瞬時(shí)超載所產(chǎn)生的地震滑移量。 (3)考慮地震循環(huán)或瞬時(shí)作用所導(dǎo)致的孔隙水壓力上升及由此所引起的強(qiáng)

7、度弱化或軟化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，對(duì)Newmark模型進(jìn)行改進(jìn)，建立了土石壩壩坡潛在滑動(dòng)體地震中累積滑移量估算方法。 (4)基于上述方法，針對(duì)算例土石壩，通過(guò)數(shù)值計(jì)算和變動(dòng)參數(shù)對(duì)比計(jì)算，探討了豎向地震動(dòng)分量等因素對(duì)土石壩抗震性能的影響。 4.考慮地震荷載的循環(huán)或瞬時(shí)作用所導(dǎo)致的土料強(qiáng)度軟化和剛度退化效應(yīng)，采用整體有限元數(shù)值分析方法，采用分時(shí)段等技術(shù)提出了估算土石壩地震永久變形的等效結(jié)點(diǎn)力—逐步軟化有限元計(jì)算模型。首先根據(jù)壩體地震動(dòng)

8、力響應(yīng)的非線性有限元分析確定各時(shí)段壩體單元所可能發(fā)生的殘余應(yīng)變、振動(dòng)孔隙水壓力增量及累積振動(dòng)孔隙水壓力，以此對(duì)動(dòng)剪切模量和強(qiáng)度及應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系進(jìn)行修正，并在下一時(shí)段計(jì)算中采用修正后的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，同時(shí)基于所確定的與上一時(shí)段地震作用所產(chǎn)生的潛在殘余應(yīng)變?cè)隽亢挽o力應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系確定相應(yīng)的等效結(jié)點(diǎn)力。在每一時(shí)段末根據(jù)上述所確定的等效結(jié)點(diǎn)力和應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，通過(guò)整體有限元計(jì)算確定壩體的殘余變形增量，將各個(gè)時(shí)段重復(fù)通過(guò)計(jì)算所確定的殘余位移累加得