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一种堆石体本构模型的探讨及验证

作　者: 高鑫
导　师: 杜丽惠
学　校: 清华大学
专　业: 水利工程
关键词: 面板堆石坝本构模型体积模量切线泊松比
分类号: TV641.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 98次
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内容摘要

混凝土面板堆石坝是堆石坝中的一种坝型,它以堆石体作为坝体的主体支撑结构,以坝体上游设置的混凝土面板作为主要防渗结构。它具有施工造价省、施工工期短、施工简便、对地形适应性强等特点,因此发展速度很快,已经成为当今世界部分国家和地区特别是我国坝工设计的主要坝型之一。在混凝土面板堆石坝的应力变形有限元数值分析中,作为坝体的主要组成部分,堆石体的应力变形分析显得尤为重要。堆石体本构模型是堆石体应力变形分析的基础,选择合适的堆石体本构模型是进行混凝土面板堆石坝的应力变形有限元分析的重要前提之一。在学习和分析了邓肯-张的E-B模型和清华大学非线性K-G模型之后,本论文提出了K-ν模型。它是以体积模量K与切线泊松比νt为主要参数建立的本构模型。相比邓肯-张的E-B模型及其前身E-ν模型,K-ν模型引入了切线泊松比的计算思路,但是对其计算方法进行了优化;相比清华非线性K-G模型,K-ν模型沿用了其土体临胀强度和体积模量的计算方法,但是去掉了需要采用等应力比实验才能准确确定的剪切模量G,而代之以切线泊松比νt;通过体积模量K与切线泊松比νt建立了增量加载的弹性矩阵关系。但是由于实验数据所限,本论文并没有完成卸载情况下的切线泊松比计算方法以及加卸载条件的判定。因此本论文提出的K-ν模型并不完整,有待进一步的研究。应用MSC.Marc软件二次开发平台的本构模型开发接口,完成了K-ν模型的程序开发,并使用一个简单的有限元模型对程序进行了验证。结果表明,K-ν模型能适应混凝土面板堆石坝的有限元计算。应用K-ν模型对清江水布垭混凝土面板堆石坝和堵河潘口混凝土面板堆石坝进行了三维应力变形有限元分析,并与清华非线性K-G模型的分析结果进行了对比和分析。特别是将K-ν模型的计算结果与水布垭面板堆石坝实测变形数据进行了对比分析。分析结果表明,K-ν模型的计算结果与实测变形数据较吻合,特别是次堆石区的计算结果与实测数据十分接近。以上结果表明,K-ν模型能较好地应用于实际工程的应力变形有限元分析。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-9
第1章绪论  9-12
  1.1 混凝土面板堆石坝的发展概况  9-10
  1.2 混凝土面板堆石坝分析方法研究概况  10-11
    1.2.1 堆石体计算模型  10
    1.2.2 面板部分计算模型  10-11
  1.3 论文研究的意义与内容  11-12
第2章堆石料静力本构模型研究  12-27
  2.1 概述  12
  2.2 邓肯-张E–B 模型  12-16
    2.2.1 模型假定  12-13
    2.2.2 切线变形模量  13-15
    2.2.3 卸载、再加载模量  15
    2.2.4 加卸载准则  15-16
    2.2.5 体变模量  16
  2.3 清华非线性K–G 模型  16-22
    2.3.1 应力与应变  16-17
    2.3.2 土体强度  17-18
    2.3.3 加载时的增量应力应变关系  18-20
    2.3.4 卸载、再加载模量  20
    2.3.5 加卸载条件  20-21
    2.3.6 应力应变矩阵关系  21-22
  2.4 一种建立土体本构模型的新思路  22-26
    2.4.1 切线泊松比  22-25
    2.4.2 加卸载条件  25
    2.4.3 应力应变矩阵关系  25-26
  2.5 三种模型特性的理论分析  26-27
第3章 K-ν模型材料参数确定  27-35
  3.1 体积模量K 的相关参数确定  27
  3.2 切线泊松比相关参数确定  27-34
    3.2.1 轴向应变与侧向应变关系拟合  27-32
    3.2.2 拟合参数a、b 与围压的关系  32-34
  3.3 切线泊松比相关参数拟合小结  34-35
第4章水布垭二维有限元计算  35-42
  4.1 网格介绍  35-36
  4.2 计算荷载与工况  36-37
  4.3 计算参数  37
  4.4 K-ν模型计算结果  37-39
  4.5 K-G 模型计算结果  39-41
  4.6 计算结果分析结论  41-42
第5章 K-ν模型的实际工程应用  42-71
  5.1 水布垭面板坝三维有限元分析  42-52
    5.1.1 工程概况  42
    5.1.2 网格介绍  42-43
    5.1.3 计算材料参数  43-44
    5.1.4 K-ν模型计算结果  44-45
    5.1.5 K-G 模型计算结果  45-47
    5.1.6 计算结果比较分析  47-48
    5.1.7 计算结果与实测结果比较分析  48-52
  5.2 采用K-ν模型的潘口面板坝三维有限元分析  52-67
    5.2.1 工程概况  52-54
    5.2.2 网格介绍  54-56
    5.2.3 计算材料参数  56-57
    5.2.4 K-ν模型计算结果  57-61
    5.2.5 K-G 模型计算结果  61-66
    5.2.6 计算结果比较分析  66-67
  5.3 两种模型的计算结果对比分析  67-71
第6章结论与展望  71-73
参考文献  73-75
致谢  75-76
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  76

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