高土石坝张拉裂缝开展机理研究与数值模拟

论文摘要

张拉裂缝是土石坝常见的隐患和引起土石坝破坏的主要原因之一,也是对坝体安全造成威胁和亟待解决的关键技术难题。因此,开展压实粘土在三轴拉伸条件下拉伸特性和破坏机理的研究对于土石坝工程的安全评价具有重要意义。本文在前人研究成果的基础上,研究探讨了压实粘土在三轴拉伸条件下应力应变特性和破坏机理,建立了压实粘土张拉裂缝的三维无单元数值模拟方法。本文的主要研究工作和创新成果有:1.研制了卧式三轴拉压试验仪。该仪器采用位移控制式加载方式,轴向刚度大,可以测定三轴条件下土体拉伸破坏全过程应力位移曲线,可进行三轴压缩、三轴拉伸和三轴压缩和拉伸组合试验。2.采用糯扎渡和双江口心墙土料进行了系列的三轴拉伸、三轴压缩和三轴压缩-拉伸组合试验,研究了压实粘土在三轴拉伸和压缩-拉伸组合条件下的应力应变关系特性和拉伸破坏特性。在此基础上,提出了压实粘土拉压统一的联合强度准则,并对邓肯张EB模型进行了扩展,扩展后的模型可统一描述压实粘土在压缩、反向加载和拉伸条件下的变形特性。3.推导了三维点插值无单元法的计算公式,提出了点插值无单元法与有限元法的耦合方法。与比奥固结理论相结合,开发了无单元与有限元耦合的三维有效应力应变分析计算程序系统。4.提出了基于无单元法的弥散裂缝模型。通过将裂缝弥散到无单元法结点影响域中,并考虑压实粘土张拉断裂过程中的各向异性,构建了基于无单元法的裂缝弥散理论的计算模式,推导了压实粘土三维脆性断裂和钝断裂带无单元法模型。5.将上述研究成果嵌入已有有限元计算程序系统,发展了土石坝应力变形和裂缝分析三维计算程序系统。对双江口高心墙堆石坝坝体横向张拉裂缝和心墙水力劈裂裂缝问题进行了三维计算分析,对该坝发生坝体横向裂缝和心墙水力劈裂的可能性进行了分析和评价。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 压实粘土拉伸特性研究综述
• 1.2.1 压实粘土拉伸特性试验方法
• 1.2.2 压实粘土拉伸特性试验研究
• 1.2.3 压实粘土线弹性张拉断裂力学研究
• 1.2.4 小结
• 1.3 岩土工程数值计算方法及裂缝问题模拟计算
• 1.3.1 岩土工程中的数值计算方法的发展现状
• 1.3.2 岩土材料裂缝扩展问题模拟计算
• 1.4 无单元法的研究历史及现状
• 1.4.1 无单元法的研究历史
• 1.4.2 无单元法模拟裂缝开展的研究现状
• 1.5 本论文的主要研究工作
• 第2章 三轴拉压仪研制和压实粘土拉伸特性试验研究
• 2.1 卧式三轴拉压试验仪的研制
• 2.1.1 加载装置
• 2.1.2 卧式三轴压力室
• 2.1.3 数据采集系统
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试验土料和方案
• 2.2.2 拉伸试验步骤
• 2.3 试验成果及分析
• 2.3.1 三轴压缩试验成果
• 2.3.2 三轴拉伸试验成果
• 2.3.3 三轴压缩-拉伸组合试验成果
• 2.4 本章小结
• 第3章 压实粘土三轴拉伸条件下的强度和本构特性
• 3.1 压实粘土联合强度准则
• 3.1.1 三轴拉伸情况下土体的破坏形式分析
• 3.1.2 三轴拉伸试验强度成果及分析
• 3.1.3 几种经典的强度准则及与试验结果的对比
• 3.1.4 压实粘土三轴拉伸破坏联合强度准则
• 3.2 三轴拉伸条件下土体的应力应变曲线及特性
• 3.2.1 压实粘土拉伸曲线分析及断裂能[41]
• 3.2.2 压实粘土三轴拉伸应力应变曲线整理方法
• 3.2.3 三轴拉伸试验应力应变曲线及特性
• 3.2.4 三轴压缩-拉伸组合试验应力应变曲线及特性
• 3.3 扩展邓肯张EB 模型
• 3.3.1 峰值前切线模量计算
• 3.3.2 峰值后应变软化段模拟方法
• 3.3.3 体积模量计算
• 3.3.4 模型参数及确定方法
• 3.3.5 变形模量的判别选取
• 3.3.6 试验和拟合结果的对比
• 3.4 本章小结
• 第4章 点插值无单元法及程序实现
• 4.1 径向基函数点插值无单元法（RPIM）
• 4.1.1 基本原理
• 4.1.2 基函数的形式与形函数的性质
• 4.1.3 影响域的确定与影响结点的选取
• 4.2 三维比奥固结理论的无单元数值算法
• 4.2.1 基于变分原理的无单元法基本方程推导
• 4.2.2 数值实现方法及三维无单元法计算程序
• 4.3 数值算例
• 4.3.1 分片试验
• 4.3.2 悬臂梁受端部集中荷载
• 4.3.3 单向固结问题
• 4.4 点插值无单元法与有限元耦合法
• 4.4.1 无单元法中本质边界条件处理方法
• 4.4.2 点插值无单元法和有限元的直接耦合法
• 4.4.3 数值算例
• 4.5 本章小结
• 第5章 压实粘土三维无单元法张拉脆性断裂模型
• 5.1 有限元法中裂缝的模拟方法
• 5.2 基于无单元法的弥散裂缝模型
• 5.3 压实粘土的三维脆性断裂模型
• 5.3.1 拉伸应力应变关系和张拉断裂判别准则
• 5.3.2 基于无单元法的脆性断裂模型
• 5.3.3 开裂后整体与局部坐标下刚度矩阵的转换
• 5.3.4 压实粘土三维脆性断裂模型的无单元计算模式
• 5.4 计算实例－坝体裂缝离心模型试验的数值模拟
• 5.5 本章小结
• 第6章 压实粘土三维无单元法张拉钝断裂带模型
• 6.1 钝断裂带模型简介
• 6.2 准脆性材料的张拉软化曲线形式
• 6.3 压实粘土三维钝断裂带模型
• 6.3.1 全量关系模型
• 6.3.2 增量关系模型
• 6.3.3 钝断裂带模型的特点
• 6.4 压实粘土三维钝断裂带模型的无单元计算模式
• 6.4.1 非线性无单元法的基本流程
• 6.4.2 初应力法求解思路
• 6.4.3 总体迭代方法和初始切线迭代矩阵的选取
• 6.4.4 应力积分算法
• 6.5 无单元裂缝弥散法的尺寸效应分析
• 6.5.1 钝断裂带模型裂缝弥散尺寸效应分析
• 6.5.2 脆性断裂模型裂缝弥散尺寸效应分析
• 6.6 应力锁现象研究
• 6.6.1 应力锁现象分析
• 6.6.2 单边切口非对称三点弯梁试验
• 6.7 本章小结
• 第7章 高土石坝横向裂缝与水力劈裂计算实例
• 7.1 土石坝应力变形和裂缝分析综合软件系统
• 7.2 双江口心墙堆石坝横向张拉裂缝三维计算分析
• 7.2.1 工程概况
• 7.2.2 计算概况
• 7.2.3 不考虑裂缝开展的计算分析
• 7.2.4 考虑裂缝开展的计算分析
• 7.3 双江口心墙堆石坝蓄水期水力劈裂安全性评价
• 7.3.1 计算概况
• 7.3.2 计算结果及分析
• 7.3.3 极端条件下水力劈裂的开裂过程计算分析
• 7.4 本章小结
• 第8章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果