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高土石坝动力稳定分析及加固措施研究

作　者: 胡军
导　师: 李俊杰
学　校: 大连理工大学
专　业: 防灾减灾及防护工程
关键词: 高土石坝动力稳定变分原理加固 FLAC3D
分类号: TV312
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
下　载: 813次
引　用: 6次
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内容摘要

高土石坝的抗震稳定分析是关系坝体安全的关键要素,以往的研究表明,土石坝遭遇强震而发生破坏时,破坏将首先从坝顶部开始,坝顶区的“鞭鞘”效应将使堆石处于不稳定状态,因此在高烈度区修建高土石坝应特别重视坝顶的稳定,采取必要的抗震加固措施。锚杆、锚索、土钉、框架格构梁近年来被广泛地应用于边坡加固工程中,由于加固构件与土体之间的接触面力学性质比较复杂,这些加固构件与土体的相互作用机理研究滞后于工程应用,因此加强设计理论研究,制定相应的规范,是一项重要的工作。结合国家电力公司科学技术项目（专题四:心墙堆石坝动力反应分析计算理论及抗震措施研究,合同编号:SP11-2002-03-50）开展了如下的研究工作:（1）FLAC^3D自带较多的本构模型,但是国内岩土工程界广泛采用的南水模型并没有包含在FLAC^3D中,这使得FLAC^3D在国内岩土工程数值分析中,尤其是在土石坝的数值分析中的应用受到了很大局限。为了弥补这一不足,利用FLAC^3D提供的二次开发平台,实现了南水模型在FLAC^3D软件中的应用。（2）对糯扎渡粘土心墙坝采用开发的南水模型进行静力计算,在此基础上进行动力反应分析,计算结果表明:在地震情况下,坝顶的加速度较大,最大加速度值为7.9 m╱s²,永久位移达到1.1m,土石坝的宏观破坏性态表现为坝顶沿坝坡浅层较大变形,需要采取局部加固措施以增强坝体的抗震稳定性。（3）在现有变分法求解边坡稳定的基础上,推导了一种能适用于非均质边坡的稳定分析方法。该方法没有对条间力做任何假定,它利用变分原理求解安全系数的泛函,进而确定极限平衡方程中的未知函数——滑裂面上的正应力和滑裂面。然后通过求解极限平衡方程,得到目标函数的极值——最小安全系数。依据推导过程,编制了三维变分法计算程序。该程序可以搜索边坡破坏的临界滑裂面,而且能够得到与其对应的最小安全系数。（4）采用有限差分法,对坝体及其抗震措施进行数值模拟,通过对加筋前后坝体永久位移的计算分析,研究了筋端处理方式、加筋的间距、锚筋长度、预应力大小、筋材的剪切抗力等因素对加固效果的影响。同时进一步考虑了锚筋的剪切抗力对边坡稳定有着不可忽视的贡献,提出了一种考虑锚筋单元剪切抗力的计算方法,并通过对工程实例的计算,说明锚筋单元剪切抗力对提高边坡稳定的作用。（5）以往的测试结果表明,土工格栅的抗拉拔能力远远超过钢带和土工织物,根据土工格栅的作用原理以及坝体动力和稳定分析结果,将混凝土框架格构梁平铺于坝体中坝高的3/4以上部分,研究了混凝土框格与土体的相互作用,提出了一种简便的混凝土框格计算模型。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-20
  1.1 论文背景  11-12
  1.2 高土石坝静动力稳定及抗震措施研究现状  12-18
    1.2.1 土石坝静力反应分析研究现状  12-13
    1.2.2 土石坝动力反应分析研究现状  13-15
    1.2.3 土石坝稳定分析研究现状  15-17
    1.2.4 土石坝抗震加固研究现状  17-18
  1.3 本文研究的内容及方法  18-20
2 FLAC~(3D)的基本原理  20-30
  2.1 前言  20-21
  2.2 基本原理  21-30
    2.2.1 显示有限差分法  22-23
    2.2.2 动态松弛法  23-24
    2.2.3 基本方程  24-30
3 南水模型在FLAC~(3D)中的开发与实现  30-45
  3.1 南水模型  30-34
  3.2 南水模型在FLAC~(3D)中的实现  34-36
    3.2.1 开发环境  34
    3.2.2 FLAC~(3D)本构模型开发的编程概要  34-36
  3.3 工程实例  36-44
    3.3.1 工程概况  36-38
    3.3.2 坝体计算模型  38-42
    3.3.3 计算结果  42-43
    3.3.4 计算结果比较  43-44
  3.4 小结  44-45
4 蓄水期坝体动力稳定性研究  45-60
  4.1 FLAC~(3D)动力分析方法  45-49
    4.1.1 边界条件的设置  45-48
    4.1.2 渗流边界条件和初始条件  48
    4.1.3 动荷载的输入  48-49
    4.1.4 阻尼的选取  49
    4.1.5 迭代时步的确定  49
    4.1.6 单元剖分尺寸  49
  4.2 工程实例  49-59
    4.2.1 计算参数  50
    4.2.2 动力情况下的流固耦合分析的步骤  50-59
  4.3 小结  59-60
5 基于变分原理的土石坝三维稳定分析  60-77
  5.1 三维变分法概述  60-61
  5.2 改进的三维变分法理论推导  61-68
    5.2.1 平衡方程的建立  61-64
    5.2.2 改进的变分法理论推导  64-68
  5.3 三维变分法程序编制  68-73
    5.3.1 滑裂面的构造  68-69
    5.3.2 数值程序的实现  69-72
    5.3.3 程序控制参数取值说明  72-73
  5.4 算例分析  73-76
    5.4.1 考核题  73-75
    5.4.2 糯扎渡粘土心墙坝的稳定分析  75-76
  5.5 小结  76-77
6 加筋技术在高土石坝抗震中的应用  77-105
  6.1 引言  77
  6.2 FLAC~(3D)的锚杆单元模型  77-79
  6.3 坝体外表面混凝土框架梁  79-80
  6.4 加筋层的作用机理研究  80-85
    6.4.1 计算模型的建立  80
    6.4.2 计加筋对坝体水平向和竖向永久位移的影响  80-85
  6.5 加筋效果的影响因素  85-96
    6.5.1 筋端处理方式对对加固效果的影响  85-87
    6.5.2 锚筋长度对加固效果的影响  87-90
    6.5.3 锚筋间距对加固效果的影响  90-94
    6.5.4 预应力大小对加固效果的影响  94-96
  6.6 加筋效果与提高土体参数等效  96-98
    6.6.1 摩擦角的影响  96-97
    6.6.2 粘聚力C的影响  97-98
  6.7 考虑锚筋单元的剪切抗力对加固效果的影响  98-104
    6.7.1 剪切抗力的计算方法  98-99
    6.7.2 算例  99-104
  6.8 小结  104-105
7 混凝土框格加固高土石坝研究  105-115
  7.1 引言  105-106
  7.2 混凝土框格的工作原理  106-108
    7.2.1 准粘聚力理论  107
    7.2.2 被动锚固机理  107-108
  7.3 计算模型  108-109
  7.4 弹簧的数学表达式  109-111
  7.5 结构单元之间的节点的链接  111
  7.6 混凝土框格的加固效果  111-114
  7.7 小结  114-115
8 结语  115-117
  8.1 结论  115-116
  8.2 需要进一步解决的问题  116-117
创新点摘要  117-118
参考文献  118-124
攻读博士学位期间发表学术论文情况  124-125
致谢  125-126
附录1 南水模型开发  126-138
附录2 FLAC~(3D)中加载浸润面  138-140

高土石坝动力稳定分析及加固措施研究

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