土石坝非线性有限元应力变形分析

土石坝非线性有限元应力变形分析关键词：应力-应变关系剪胀性非线性弹性模型数值分析1.引言由于土体本构关系的复杂性，传统计算难以分析坝体应力和变形，而采纳有限单元法，可以考虑土体的非线性变形、分期施工等复杂因素，计算所得的结果较为准确合理。目前，该方法已在土石坝工程中得到广泛的应用。2.材料模型3.算例讨论为验证在有限元程序中针对坝料所选取对应数学模型和计算结果的合理性，以某粘土心墙坝为例，坝料采纳邓肯双曲线模型，整个模型计算范围为上、下游侧地基长度及坝基深取 1.5 倍坝高。由于坝体心墙与反滤料、坝壳料之间存在模量差异，致使各填筑区出现不均匀沉降，由本该是心墙承担的部分荷载转而传递到了两侧的反滤料和坝壳料区，从而形成心墙压应力降低的拱效应。由于不同材料区之间的变形是属于不同程度并且具有相对性，而心墙的沉降量也明显大于坝壳料区。另外心墙上游侧受到来自上游库水压力作用，坝体位移有趋于下游之势。4.工程应用4.1 工程概况轿子山水库位于昆明市东川区红土地镇境内，位于金沙江流域小清河中游，属金沙江水系支流。大坝为沥青混凝土心墙风化料坝，坝顶轴线长320m，最大坝高 99m，坝顶高程 2204m。上游坝坡比分三台，分别为 1：2.0、1：2.25、1：2.5；下游坝坡分四台，其坡比为 1：2.0、1：1.9、1：1.9、1：1.8。4.2 计算模型及荷载整体适当简化，整个计算模型范围为上游侧地基长度取 1.5 倍坝高，下游侧地基长度取 1.5 倍坝高，竖直方向由建基面对坝基深处延伸 1.5 倍坝高。其中 X 向为顺河向，Y 向为横河向，Z 向为竖直向。三维计算网格采纳 8 节点六面体单元及部分四面体单元，共有 81905 个结点，78314 个单元。针对大坝不同的材料特性，简化计算过程中主要考虑两种材料本構模型，混凝土材料采纳线弹性模型，坝体其他材料及基岩采纳邓肯-张模型。综合考虑网格质量及大坝施工过程，分级加载模拟采纳 24 级。4.3 成果分析从相关数据和结果中可以得出，各工况下坝体主应力主要发生在坝体的建基面附近，在蓄水期达最大值，主压应力最大值为 2.07MPa，主拉应力最大值为 1.37MPa。另外，坝体沉降量最大值约发生在坝高的 2/3 位置处，坝体沉降量最大值为 57.42cm，约占最大坝高的 0.58%。另截取坝体最大断面进行应力及变形分析，心墙轴线竖向应力沿高程分布见图 1，由图 1 可见，各工况下心墙都未出现拉应力，应力具有相同变化趋势，最值发生在心墙底部。从图 1 可...