静动力荷载下土石坝高聚物防渗墙受力特性分析_徐建国

式中 K ur 卸载弹性模量数； nur 卸载弹性模量指数； [13] 内摩擦角变化率 。
图 3 高聚物材料抗压强度与密度关系 Fig. 3 Relationship between compressive strength and density of polymer materials
最大应力时程曲线对比；表 4 为 3 种防渗墙土石坝自 振频率计算结果比较；图 13、图 14 分别为静力和地 震荷载下防渗墙内最大应力比较。
第 34 卷 2012 年
第9期 .9 月
岩
土
工
程
学
报
Chinese Journal of Geotechnical Engineering
Vol.34 No.9 Sep. 2012
静动力荷载下土石坝高聚物防渗墙受力特性分析
徐建国，王复明，钟燕辉，王 博，李晓龙，孙 宁
(郑州大学水利与环境学院，河南 郑州 450000)
1.3
地基与坝体材料 土石坝坝体与地基应力应变关系可采用非线性
Duncan-Chang E-B 模型[12]（见表 2） ， (1 sin )( 1 3 ) 2 Et Kpa ( 3 ) n (1 Rf ) ，(1) pa 2c cos 2 3 sin
Bt K b pa (
─────── 基金项目：国家自然科学基金面上项目（51179175/E090703） ；国家自 然科学基金青年基金项目（51008285/E080506） 收稿日期：2011–05–12
防渗加固是处理病险水库大坝的主要工程措施 ， 工程中常用的防渗加固技术主要包括灌浆防渗加固技 术和防渗墙加固技术。其中高强混凝土或塑性混凝土 防渗墙技术在堤坝工程除险加固方面得到广泛应用[2]， 取得了良好的效益。但同时也看到高强混凝土或塑性 混凝土防渗墙存在的缺陷：混凝土防渗墙因高弹性模 量造成墙体的高应力问题，塑性混凝土防渗墙强度和 抗渗性较低，而且耐久性较差；墙体普遍偏厚，使成 本提高；施工现场场面铺设过大、施工工期偏长、对 原坝体扰动较大等。 基于工程建设的实际需求，自 20 世纪 70 年代以 来，以具有膨胀性的高聚物为代表的有机高分子化学
340 m，坝基由重粉质壤土、细砂及云母石英片岩组 成，工程地质条件较好（如图 1 所示） 。为治理坝体上 游向下游的渗漏，沿坝体纵向距坝轴线 0.5 m 处，采 用高聚物注浆技术筑一道防渗墙， 坝体顶部高程 77.15 m，坝体险工段 1+005～1+220，防渗墙总长 215 m。 1.1 基本假定 为简化计算，有限元计算分析采用如下假定： （1）土石坝简化为平面应变问题； （2）坝体、坝基采用 Duncan-Chang E-B 非线性 模型； （3） 开挖前及注浆前的坝体原位应力的改变不考 虑，坝体内部初应力为静水压力与土压力。 1.2 高聚物材料力学参数 根据非水反应类聚氨酯高聚物材料的密度与弹性
Stress analysis of polymer diaphragm wall for earth-rock dams under static and dynamic loads
XU Jian-guo, WANG Fu-ming, ZHONG Yan-hui, WANG Bo, LI Xiao-long, SUN Ning
0
引
言
[1]
注浆材料的研究和应用受到了国内外日益广泛的重 视，取得了较丰富的成果[3]。国内在郑州大学等单位 的联合攻关下， 研发了高聚物注浆快速维修成套技术， 在理论研究和工程应用方面取得了突破性进展[4-7]。 与 传统的注浆加固技术相比，高聚物注浆具有诸多明显 优点：如施工快；自重轻；良好的抗渗性；防渗墙尺 寸较薄；材料安全环保及耐久性好等。目前国内外虽 然在注浆材料、注浆设备及施工工艺等方面均已取得 了重大进展，但关于高聚物注浆理论研究成果匮乏。 大量的文献都只介绍高聚物的材料特性、注浆工艺和
模量试验[6-7]，以及材料密度与抗拉、抗压强度关系试 验[7]，所得的试验结果见表 1，以及图 2、图 3。
1
坝体高聚物防渗墙计算模型与材料 参数
河南信阳九龙水库坝体为均质土坝，坝顶长约
图 2 高聚物材料抗拉强度与密度关系 Fig. 2 Relationship between tensile strength and density of .polymer materials
接触单元 在防渗墙与土体之间设置接触单元，来模拟界面 间产生的相对错动、 滑移与分开等状态。 如设 Fs 和 Fn 分别为接触单元间的摩擦力和法向力， K t 为黏性系 数，K n 为法向刚度，u 为切向位移，d 为接触点距离。
图 4 土石坝防渗墙模型示意图 Fig. 4 Model of earth-rock dam with diaphragm wall
/(°) 0 0 0 5.0
当材料卸载时
Eur K ur pa (
3
pa
压强度分别为 1.5 MPa 和 25 MPa。 采用两种工况分别
) nur 。 (4)
对高聚物防渗墙、塑性混凝土防渗墙及普通混凝土防 渗墙进行了计算分析，同时进行了振动频率与模态分 析。地震加速度时程分析采用 El-centro 地震波调幅 0.6g（如图 10） ，地震加速度沿土石坝截面横向输入， 整体阻尼矩阵按瑞利阻尼。 工况一：土石坝在自重和静水压力下应力分析； 工况二：土石坝在调幅 0.6g Elcentro 地震波作用 下的动应力分析。 土石坝有限元模型及在静力荷载下的受力图见图 4 与图 5， 各工况下最大应力分布图见图 6～9 所示 （单 位：MPa） ，表 3 为 3 种防渗墙坝体上、下游水平与竖 直位移比较； 图 11 分别为地震荷载下 3 种防渗墙内部
1.4
[14]
K u Fs t ， Fs Kn d d 0 Fn 。 d 0 0
第9期
徐建国，等. 静动力荷载下土石坝高聚物防渗墙受力特性分析 表 2 土石坝坝体材料与基岩参数表 Table 2 Parameters of dam materials and bed rock 重度(干) /(kN·m-3) 16.0 16.5 15.4 19.6 重度(湿) /(kN·m-3) 19.2 19.6 18.6 21.6 c /(kN·m 2) 14.6 14.6 0 0


1701
材料 坝体土 坝基土 砾砂 基岩
K 300 300 470 720
百度文库
Kur 360 360 564 850
n 0.5 0.5 0.5 0.7
Rf 0.95 0.95 0.77 0.86
Kh 200 200 400 530
m 0.4 0.4 0.4 0.6
/(°) 29.5 29.5 32.5 44.0
摘
要：土石坝高聚物防渗墙与塑性混凝土及普通混凝土防渗墙相比，具有轻质﹑早强﹑环保﹑耐久等特点；施工中
具有快速﹑经济﹑实用和对坝体影响干扰小等特点，现已在实际工程中得到了成功应用。但目前对于高聚物材料防渗 墙成墙后的静动力特性缺乏计算分析研究。选择 Duncan-Chang E-B 非线性模型作为坝体模型，在防渗墙与坝体间设置 面–面接触单元，建立有限元数值仿真模型。采用实际算例，对比分析了高聚物防渗墙与塑性混凝土、普通混凝土防 渗墙在静力与地震荷载下的应力分布及破坏特性的差异，说明在同种工况下高聚物防渗墙应力最小，不易发生破坏， 具有较好的安全性。 关键词：高聚物防渗墙；土石坝；有限元模型；应力分析 中图分类号：TV641 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2012)09–1699–06 作者简介：徐建国(1965– )，男，河南孟津人，博士，教授，硕士生导师，主要从事水工结构抗震等方面的研究与教 学工作。E-mail: jianguoxu@zzu.edu.cn。
式中
3
pa
)m
。
(2)
E t 切线弹模； Bt 体积模量； 1 ， 3 分别为最 大与最小主应力； pa 大气压力； Rf 破坏比； K 弹性 模数； n 弹性模量指数； K b 体积模量数； m 体积模 量指数； c ， 分别为土体黏聚力和内摩擦角 0 lg( 3 ) ， (3) pa
[8-11]
4 0.35 109
5 0.36 136
6 0.40 202
7 0.42 214
8 0.47 218
9 0.49 225
10 0.53 229
施工效果，却很少涉及注浆机理与防渗墙成墙后受静 动力荷载时的应力应变特性分析等 。本文采用商 业软件 ALGOR 建立考虑土体材料非线性的坝体静动 力分析模型，在防渗墙与坝体间设置面–面接触单 元，模拟坝体与防渗墙之间的拉开或接触状态。通过 算例的计算分析，对比分析了高聚物防渗墙与塑性混 凝土、普通混凝土防渗墙在静力荷载与地震荷载下的 应力分布及破坏特性的差异，为防渗墙的设计施工提 供理论分析参考。
(School of Environment and Hydraulic Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450000, China)
Abstract: Compared with plastic concrete and normal concrete, the polymer diaphragm wall has the characteristics of light weight, early strength, environmental conservation and durability. During its construction, it has speedy, economic, and practical characteristics and few influences on the dam. The polymer diaphragm wall has been successfully used in earth-rock dams. But at present the static and dynamic characteristics of earth-rock dams are seldom studied. The Duncan-Chang E-B nonlinear model is used and the contact element is set up between the diaphragm wall and the dam for the FEM model. A comparison of stresses on the diaphragm wall among polymer, plastic concrete and normal concrete under static and seismic loads shows that the stress on the polymer diaphragm wall is the least and it is not easy to be failed. The polymer diaphragm wall for earth-rock dams has preferable security. Key words: polymer diaphragm wall; earth-rock dam; FEM model; stress analysis
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图 1 土石坝高聚物防渗墙设计示意图 Fig. 1 Sketch of polymer diaphragm wall for an earth-rock dam 表 1 高聚物材料弹性模量和密度关系 Table 1 Elastic modulus and density of polymer materials 试样编号 密度/(g·cm-3) 弹性模量/MPa 1 0.16 18.2 2 0.27 20.3 3 0.29 40.8