基于ABAQUS软件的覆盖层中塑性混凝土防渗墙的应力变形分析_李龙舟

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2014 年第 2 期
科技创新与应用
（三峡大学 水利与环境学院， 湖北 宜昌 443002 ）
了大量的单元库和求解模型， 用户可以利用这些模型处理大多数的 增加单元类型 、 本构关 问题。并能利用其提供的用户子程序接口， 接触模型等。在 ABAQUS 所提供的通用平台上有可能实现特定 系、 问题的有限元数值仿真计算， 以满足用户的个性化分析计算的需求 [7] 。 ABAQUS 提供用户自定义接触面摩擦模型的子程序是 FRIC。 ABAQUS 的提供的面与面接触和 Goodman 模型相同的是没有厚度 只有长度， 区别仅在于摩擦模型不同。因此， 在 FRIC 子程序中只要 考虑接触面上摩擦接触特性就可以， 而把判断接触面是否脱开的任 务交给 ABAQUS 进行。在 FRIC 程序中， 我们只需给出两个方向的 ks。克拉夫和邓肯认为剪应力和相对剪切位移之间符合双曲线关系 [8] ， 则 ks1、 ks2 表示为
图 1 0+562.5 断面大坝剖面图 2.2 模型概况 模型计算按平面应变问题处理， 计算整个范围自坝址和坝踵分 别向上游延伸 100m， 模型中坝基两端采用滑动支座， 约束水平方向 位移， 坝基底端采用固定支座， 约束一切变形。 加载过程按土石坝施 工和蓄水过程模拟。坝体、 覆盖层和塑性混凝土防渗墙材料均按照 k 0 P , ,k 式中： ks， kn 分别为切向刚度系数 非线性材料考虑， 计算模型采用邓肯 · 张 E-B 模型 。土与结构的接
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表 1 土石坝坝体、 覆盖层、 防渗墙材料参数
图 5 墙体竖向应力沿高程分布图 ） 蓄水前； （b ） 蓄水后 （a 墙体顶 处出现了一定程度的应力集中， 最大压应力达到了 1.54MP； 蓄水对 部新填坝体和覆盖层交界处也出现了一定程度的应力集中。 墙体的垂直变形影响不大。 （3 ） 塑性混凝土模量变化对墙体的影响。为了考虑塑性混凝土 5000、 8000 模量的变化对墙体应力变形的影响，取模量 K 为 3000、 这三种方案进行数值计算， 分析比较应力变形的变化。计算结果如 表 2 所示。 表 2 蓄水后各方案墙体应力变形分布特征值
0 k ， 和法向刚度系数。 触面采用基于 ABAQUS 二次开发的 Goodman 单元模拟 。计算材料 1.2 Goodman 模型在 ABAQUS 中的二次开发 参数见表 1。由于防渗墙顶端的高塑性土和防渗墙底部的灌浆帷幕 ABAQUS 是由美国 HKS 公司开发的非线性有限元分析软件系 与坝址处的排水棱体的面积相对较小，且缺乏相对可靠的土工参 统。 它在材料、 几何和接触非线性方面的分析能力居世界领先水平， 数， 故计算中忽略其影响。 以高求解效率和高计算精度在工程界和学术界赢得了声誉和信赖， 2.3 计算结果 是强大的非线性有限元计算分析工具。 ABAQUS 为广大的用户提供 图 2～图 5 给出了墙体 （K=3000 ） 在蓄水前和蓄水后的应力变形
3 结束语 本文基于有限元分析软件 ABAQUS， 实现 Goodman 模型的二次 开发， 对覆盖层中采用塑性混凝土防渗墙的某土石坝进行了数值计 算， 同时分析比较了弹性模量和接触面参数对坝体塑性混凝土防渗 墙的应力变形影响。通过数值计算分析， 可得到如下结论： ） 防渗墙在蓄水前和蓄水后均处于受压状态， 无拉应力。 在基 （1 岩到覆盖层和覆盖层到填土的过渡段都出现了一定程度的应力集 中， 最大压应力不超过 2.0MP， 所以从抗压强度上考虑， 墙体是安全 可靠的。 （2 ） 墙体的最大应力值受混凝土模量的影响较为敏感。随着混 凝土模量的提高， 塑性混凝土的强度越高， 同时混凝土的最大应力 值也越高。但墙体的变形对混凝土模量的影响不敏感。尽量降低塑 性混凝土的模量， 对降低墙体的应力是有好处的。 （3 ） 防渗墙的墙体与覆盖土体接触参数的变化会对墙体应力变
k k 1 R tan K p
） （2 （3 ）
1 R
tan
K
p
式中 K1、 K2、 Rf、 n 为非线性指标，由试验确定； δ 为接触面摩擦
角。
2 工程算例 2.1 工程概况 某水库土石坝加固对旧坝体与覆盖层采用塑性混凝土防渗墙、 强风化基岩层采用帷幕灌浆的综合防渗措施进行处理 。坝顶高程 1136.90m， 坝高 36.7m， 坝顶宽度 6m。防渗墙桩号范围为： 0-070～0+ 936.8， 全长 1006.8m， 设计墙厚 0.8m， 最大墙深 59.92m。大坝加固后 桩号 0+562.5 断面图如图 1 所示，坝体填土为中等压缩低液限黏 土， 坝基从上到下依次为覆盖层、 强风化岩、 若风化岩。防渗墙厚布 置在坝轴线上有 1.8m 处， 底部深入弱风化岩 5m。
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科技创新
基于 ABAQUS 软件的覆盖层中塑性混凝 土防渗墙的应力变形分析
李龙舟
摘 要： 塑性混凝土防渗墙在土石坝加固工程中得到了广泛的应用， 防渗墙的设计和施工对土石坝的安全运行至关重要。 文章基于 有限元分析软件 ABAQUS， 实现 Goodman 非线性接触模型的二次开发， 并应用于土体与结构材料接触面的数值模拟。 结合某土石坝 工程实例， 对软弱覆盖层上塑性混凝土防渗墙进行数值计算， 分析防渗墙在蓄水前和蓄水后等不同阶段的工作特性， 同时考虑混凝 为塑性混凝土防渗墙在土石坝中的应用提供一定参考依据。 土弹模的改变和泥皮参的变化对防渗墙应力变形的影响， 关键词 ： 土石坝； 覆盖层； 塑性混凝土； 防渗墙； 接触模型； 应力变形
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沿高程的分布规律。 （1 ） 蓄水前墙体的应力变形分析。 墙体竖向应力均为压应力， 墙 体上下游面应力分布情况基本一致， 对于墙体顶部和下部， 都出现 了上游面竖向应力略大于下游面， 对于墙体中部， 上下游面竖向应 力差别不大， 受力较均匀。墙体的大主应力的分布规律与竖向应力 基本相同， 小主应力随墙体高程的增加而逐渐减小， 上下游面小主 应力差别不大， 受力较均匀。 墙体有向上游倾斜的趋势， 最大水平变形为 23.29cm， 发生在墙 体顶处； 墙体最大垂直变形为 37.69cm， 竖直向下， 同样发生在墙体 顶部。
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图 2 防渗墙的水平位移和竖向位移沿高程分布图
图 3 墙体大主应力沿高程分布图 （a ） 蓄水前； （b ） 蓄水后
随着塑性混凝土模量的增加， 墙体变形减小， 但变化不大； 墙体 的大主应力和小主应力整体呈增大趋势，最大压应力普遍增高， 墙 体的受拉程度明显增加。 在弹模达到 8000 时， 墙体下游面出现了受 拉区域， 小主应力随高程的分布出现了剧烈的振荡， 对防渗墙的受 力状态产生不利影响。 模量较小对防渗墙的受力状态不会产生较大 的影响， 而防渗墙的强度则随着模量的降低显著的减小； 模量增大， 防渗墙墙体强度大大的提高了，但防渗墙也出现了明显的受拉区， 对防渗墙不利。 因此， 在设计时应根据工程地质条件、 水位及坝型等 综合选取防渗墙的弹性模量， 尽量降低塑性混凝土的模量， 同时提 高墙体的强度。 （4 ） 泥皮的参数变化对墙体的影响分析。为了考虑泥皮的作用 对防渗墙应力变形的影响， 分别对接触面摩擦系数为 0.2， 0.3 和 0.4 的情况进行模拟， 对防渗墙在蓄水前和蓄水后的应力变形情况进行 分析。 结果见表 3 所示。 从表中可以看出， 无论是在蓄水前还是蓄水 后， 摩擦系数越大， 防渗墙的大主应力、 小主应力和竖向应力都会增 加， 而墙体的最大水平位移减小。 摩擦系数越大， 墙体和周围土体之 间的变形协调能力略微下降。 接触面参数的变化对防渗墙的应力变 形影响是有规律的， 但变化量相对较小。 表 2 墙体在各个阶段的最大应力和位移
引言 在深厚覆盖层上修建土石坝， 常采用浇筑混凝土防渗墙 、 帷幕 灌浆等技术， 来截断地下渗流通道， 保证坝基的抗滑稳定性[1]。大坝 坝体在施工和蓄水以后， 由于受到大坝自重和水荷载的作用， 大坝 和坝基会产生较大的变形。混凝土防渗墙作为大坝防渗体， 由于其 弹性模量与周围土体的巨大差异， 变形的不协调性， 会使防渗墙承 受很高的拉应力和压应力而致使混凝土防渗墙遭受破坏 。20 世纪 60 年代国外通过对常规混凝土的改性，掺加一定数量的膨润土或 黏土来替代常规混凝土中的大部分水泥， 而出现了塑性混凝土材料 （其弹模一般小于 2000MP， 抗压强度低于 5MP ） ， 并开始应用于土石 20 世纪 80 坝坝体的防渗处理， 引起了国际大坝工程界的高度关注。 年代中后期， 我国开始研究塑性混凝土， 并在一些临时围堰中得以 应用， 同时少量试用于大坝[2]。 在防渗墙的施工过程中， 墙体混凝土在开挖成槽时， 多采用泥 浆护壁的方法来保证槽孔稳定， 泥浆渗入地层会在槽孔孔壁表面形 成泥皮， 在混凝土浇筑完成后， 泥皮依然会粘结在槽壁上。因此， 墙 体上下游面与覆盖层土体之间都会有泥浆渗透形成的泥皮[2]。很多 学者对土与结构接触面之间的力学特性及其影响因素进行了研究， 张 嘎， 张建 证实泥皮的存在会对接触面的力学性质产生显著影响。 民进行了粗粒土与结构之间夹有泥皮和无泥皮两种状态的接触面 单调和循环剪切试验， 表明泥皮对接触面力学特性的影响程度不仅 与泥皮本身的特性及其厚度有关， 还与构成接触面的结构面材料与 粗粒土的特性有关[3]。张治军、 饶锡保、 王志军等采用大型叠环单剪 仪， 对砂砾石料与夹泥皮的结构物所形成接触面的力学特性进行了 相关试验分析， 分析了泥皮厚度对接触面特性的影响并提出了接触 面在不同泥皮厚度下所适用的数学模型[4]。杨春鸣、 邵生俊、 刘鑫通 过实验确定了夹有泥皮时不同粗粒土级配与结构接触面的强度和 摩擦系数[5]。 在塑性混凝土防渗墙数值模拟中往往忽略了泥皮对防渗墙应 力变形的影响。本文利用有限元分析软件 ABAQUS 的用户子程序， 实现 Goodman 模型的二次开发， 对在覆盖层中采用塑性混凝土防渗 墙防渗的某土石坝进行了数值计算， 分析防渗墙在蓄水前和蓄水后 等不同阶段的工作状态， 同时考虑塑性混凝土弹模的改变和泥皮参 的变化对防渗墙应力变形的影响。 1 计算原理 1.1 Goodman 模型 本文利用 Goodman 接触模型来模拟塑性混凝土防渗墙和周围 土体之间的接触作用， 能够更好地考虑墙体和土体之间的承载力分 配问题。 Goodman 单元不考虑两个方向的相互耦合， 接触面是在受力之 间完全吻合， 即单元没有厚度只有长度， 法向应力只与法向相对位 移有关， 剪应力只与切向相对位移有关[6]。本构关系为 P k （1 ）
图 4 墙体小主应力沿高程分布图 （a ） 蓄水前； （b ） 蓄水后 （2 ） 蓄水后墙体的应力变形分析。 蓄水到正常蓄水位， 墙体的中 下部在上游面受到较大的水压力， 可以看到墙体的水平变形向下游 有一定的回复， 但仍然偏向上游， 这就使得墙体的竖向应力或者大 主应力有所减小。同时， 在水压力的作用下， 其围压提高， 小主应力 明显增大。从图 4、 图 5 可以看出， 在墙体下部覆盖层与基岩交界面