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、該文通過理論分析與數(shù)值計算等手段對于土石填筑壩地震永久變形分析方法與抗震穩(wěn)定性評價方法進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力響應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，建立了各層的振動控制方程及其初邊值條件，進而運用數(shù)學物理方程方法進行了數(shù)學求解，確定了體系的振動特性，并根據(jù)振型分解法和Duhamel積分

2、確定了壩體地震動力響應的線性解答。進而采用等價線性化方法考慮壩料的動力非線性性質(zhì)，通過對線彈性響應的反復迭代計算使得各層土的剪切模量和阻尼比與其相應的剪應變水平相協(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作為非線性地震響應的近似解。最后分別以均質(zhì)土壩和心墻壩作為算例，進行了具體數(shù)值計算，并將所得結果與有限元數(shù)值解進行了對比分析，論證了所建議分析方法與計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、工程實用分析方法，為土石壩抗震性能簡化分析、方案論證階段的多工況對比計算或工程設計初步階段的抗震優(yōu)化設計提供一種簡便工具。 2.將擬靜力方法與強度折減彈塑性有限元數(shù)值方法相結合對土石壩的抗震穩(wěn)定性進行了數(shù)值分析。其中分別采用下列兩種方式考慮地震對壩體的慣性作用效應： (1)依據(jù)《水工建筑物抗震設計規(guī)范》中所推薦的地震慣性力計算方法，并結合有關土石壩動態(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、土石壩動力非線性有限元分析所得到的動力響應，基于經(jīng)驗確定作用于壩體各單元結點上的地震慣性力。同時在土石壩擬靜力抗震穩(wěn)定性分析中考慮滲流效應，針對穩(wěn)定滲流期、水位降落期等不同運行工況以及采用地震總應力強度指標和地震有效應力強度指標等不同計算條件，提出了土石壩抗震穩(wěn)定性分析中強度折減彈塑性有限元方法的數(shù)值實施技術。研究表明，這種方法能夠充分發(fā)揮有限元方法的優(yōu)勢，有效地克服了傳統(tǒng)極限平衡方法的缺陷，能夠同時考慮沿壩高非均勻分布的地震慣性力作用

5、與非均勻滲流效應等復雜條件的共同影響，由此可以有效地確定復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.將土石壩動力響應時域分析、按照擬靜力方法所確定的潛在滑動體平均地震效應與根據(jù)擬靜力極限平衡分析所確定的瞬時超載條件相結合，考慮地震循環(huán)作用對抗剪強度的弱化降低效應，對Newmark剛塑性體滑塊模型進行改進，由此估算地震滑移量，進而根據(jù)擬靜力穩(wěn)定安全系數(shù)的時程變化和累積地震滑移量對土石壩的抗震穩(wěn)定性進行綜合評價： (

6、1)根據(jù)土石壩非線性有限元動力響應分析確定壩坡上某一潛在滑動體的平均地震響應，并以此作為外荷載，利用極限平衡法或強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)的變化時程。 (2)將計算所得到的壩體擬靜力動態(tài)安全系數(shù)小于1的時段作為瞬時超載，同時考慮潛在滑動體的水平與豎向地震作用的耦合效應，利用Newmark滑塊模型計算由于瞬時超載所產(chǎn)生的地震滑移量。 (3)考慮地震循環(huán)或瞬時作用所導致的孔隙水壓力上升及由此所引起的強

7、度弱化或軟化的動態(tài)過程，對Newmark模型進行改進，建立了土石壩壩坡潛在滑動體地震中累積滑移量估算方法。 (4)基于上述方法，針對算例土石壩，通過數(shù)值計算和變動參數(shù)對比計算，探討了豎向地震動分量等因素對土石壩抗震性能的影響。 4.考慮地震荷載的循環(huán)或瞬時作用所導致的土料強度軟化和剛度退化效應，采用整體有限元數(shù)值分析方法，采用分時段等技術提出了估算土石壩地震永久變形的等效結點力—逐步軟化有限元計算模型。首先根據(jù)壩體地震動

8、力響應的非線性有限元分析確定各時段壩體單元所可能發(fā)生的殘余應變、振動孔隙水壓力增量及累積振動孔隙水壓力，以此對動剪切模量和強度及應力—應變關系進行修正，并在下一時段計算中采用修正后的應力—應變關系，同時基于所確定的與上一時段地震作用所產(chǎn)生的潛在殘余應變增量和靜力應力—應變關系確定相應的等效結點力。在每一時段末根據(jù)上述所確定的等效結點力和應力—應變關系，通過整體有限元計算確定壩體的殘余變形增量，將各個時段重復通過計算所確定的殘余位移累加得