基于横观各向同性的面板堆石坝性态分析

基于横观各向同性的面板堆石坝性态分析面板堆石坝得益于其众多优点,近年来被广泛应用,针对面板堆石坝的探讨研究推动了设计和施工技术的进步,也因此出现了越来越多的高堆石坝、超高堆石坝。有限单元法能够在一定程度上反映大坝的应力和变形规律,但由于堆石土体的复杂特性,计算结果往往和实际监测结果有差距,且计算时采用的材料参数多来源于室内三轴试验,存在缩尺效应。

堆石坝经过机械碾压施工作业后,可近似地将其视为横观各向同性体,而目前常用的非线性弹性模型将土体视为各向同性体。改进本构模型来正确模拟横观各向同性,并且通过实测资料反演材料参数及反应横观各向同性的异性系数,不仅能使坝体变形计算值与实测值更加吻合,而且可以更准确地预测大坝运行情况,对工程实践和设计有十分重要的意义。

本文根据横观各向同性的基本理论,由土体的柔度矩阵为着手点分析横观各向同性弹性体的刚度矩阵的推导,在邓肯E-B模型的基础上,利用ANSYS二次开发UPFs工具,开发横观各向同性模型,根据微分进化算法,由位移反分析得到修正

的材料参数,通过利用横观各向同性模型和E-B模型分别对滩坑面板堆石坝进行有限元计算分析,对比不同本构模型的计算结果,并且实测资料进行比较来验证横观各向同性模型的合理性和有效性。本文的主要研究内容有:1.从土体柔度矩阵的角度进行分析,推导横观各向同性的本构方程,利用ANSYS二次开发的UPFs 工具,开发横观各向同性模型子程序;2.结合三维有限元法和智能优化方法,采用横观各向同性的本构模型来模拟大坝堆石散粒体本构关系,整理滩坑面板堆石坝变形监测布点与资料,以现场实测变形和有限元计算变形的最小二乘法构成适应度函数,在此基础上建立滩坑混凝土面板堆石坝的材料力学参数反演数学模型;3.

介绍微分进化算法位移反分析,根据滩坑面板堆石坝的各个测点观测资料,用此方法反馈确定滩坑混凝土面板堆石坝的异性系数和有关的材料力学参数;4.用反演的异性系数和材料力学参数对不同设计工况下的滩坑混凝土面板堆石坝进行三维有限元计算分析,比较横观各向同性本构模型和邓肯E-B模型下面板堆石坝的应力变形规律,得出横观各向同性模型在坝体变位计算结果更接近实测资料、面板应力及变形有所减小但拉应力仍然偏大、面板周边缝张开及剪切接近实测资料的结论。