（水工结构工程专业论文）考虑混凝土挤压墙损伤的面板坝三维有限元分析.pdf

摘要 挤压墙技术作为一种较新的施工技术，我国已经在公伯峡、水布垭等工程 中得到了成功的应用。本文结合水布垭面板堆石坝着重对挤压墙的作用机理、数 值模拟方法以及它对面板堆石坝变形的影响进行了研究和探讨，主要有以下内 容： ( 1 ) 分析和总结了面板坝堆石体、接触面和周边缝的计算模型：合理地选用 了d u n c a ne b 模型、g o o d m a n 无厚度接触面单元作为堆石体和面板与挤压墙接 触面的计算模型。 ( 2 ) 讨论了损伤力学的基本理论，将损伤力学引入面板堆石坝挤压墙数值模 拟分析，采用非线性弹性损伤模型作为挤压墙的计算模型。 ( 3 ) 在三维有限元计算程序t s d a 的基础上，编写了挤压墙损伤模型数值分 析子程序，实现了面板堆石坝三维有限元分析和挤压墙三维损伤分析。 ( 4 ) 建立水布垭面板堆石坝三维计算模型，利用所编程序对其进行了三维有 限元数值分析，并把所得坝体变形情况和挤压墙损伤值，与水布垭面板堆石坝现 场实测数据对比分析，验证了计算模型的合理性和模拟方法的可行性。 本课题的研究成果将为挤压墙的应用提供理论依据，为面板坝的设计提供 技术支持，具有较强的实用性，对挤压墙技术在相关工程中的应用具有重要的参 考价值。 关键词：混凝土面板堆石坝；挤压墙；等效模型；混凝土损伤模型；接触面；有 限元分析 a b s t r a c t a sa n e wc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，e x t r u s i o n s i d e w a l lh a sa l r e a d yb e e n s u c c e s s f u l l yu s e di ns e v e r a lp r o j e c t si nc h i n a ， s u c ha sg o n g b o x i a ， s h u i b u y aa n ds oo n i nc o 埘b i n a t i o nw i t hs h u i b u y ac o n c r e t ef a c er o c k f i l l d 锄，m e c h a n i s m ，n u m e r i c a lm o d e l i n gm e t h o do fe x t r u s i o n s i d e w a l la n di t s i n f l u e n c eo nc f r dd e f o r r i l a t i o na r er e s e a r c h e di nt h ep a p e r ， i n c l u d i n g f 0 1 1 0 w i n gc o n t e n t s ： ( 1 ) c o r n p u t a t i o nm o d u l eo fr o c k ，i n t e r f a c ea n dp e r i p h e r a lj 。i n to fc f r d a r ea n a l y z e d d u n c a ne bm o d e la n dg o o d m a nj o i n te l e m e n to fz e r ot h i c k n e s s a r er e a s o n a b l yc h o s e na si n t e r f a c ee o l p u t a t i o nm o d u l eo fr o c k ，f a c ep l a t e a n de x t r u s i o n s i d e w a l l ( 2 ) b a s i cp r i n c i p l eo fd a j i l a g em e c h a n i c si sd i s c u s s e da n di n t r o d u c e d t on u 加e r i c a ls i n 一! a t i o no fe x t r u s i o n s i d e w a l lo fc f r d t h a ti st os a y ， n o n l i n e a re l a s t i cd a m a g em o d e li su s e dt os i m u l a t ee x t r u s i o n s i d e w a l l ( 3 )b a s e do n3 一df i n i t ee l e m e n tp r o g r 锄一t s d a ，s u b p r o g r 锄a b o u t n u r n e r i ca n a l y s i so fe x t r u s i o n s i d e w a l ld a m a g em o d e lw a sw r i t t e n ，s o3 一d f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so nc f r d a n d3 一d d a m a g ea n a l y s i s o n e x t r u s i o n s i d e w a l la r ea t t a i n e d ( 4 )3 一dn u m e r i c o d e lo fs h u i b u y ai sc r e a t e da n d3 一df i n i t ee l e m e n t n l l i n e r i ca n a l y s i si sd o n e t h ec a l c u l a t i o nr e s u l t so fd a md e f o r m a t i o na n d d a m a g ev a l u eo fe x t r u s i o n s i d e w a l la r ec o m p a r e dt om e a s u r e dv a l u ea n dt h e r a t i o n a li t yo fc o m p u t a t i o nm o d e la n df e a s i b i l i t yo fs i m u l a t i o ni 玎e t h o da r e v e r i f i e d t h ea c h i e v e m e n t so ft h i ss u b j e c tw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a le v i d e n c eo f t h ea p p l i c a t i o no fe x t r u s i o n s i d e w a l la n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o r t h e d e s i g no fc f r d i ta l s oh a sm u c hp r a c t i c a lv a l u ea n dg r e a tr e f e r e n c ev a l u e f o rt h ea p p l i c a t i o no fe x t r u s i o n s i d e w a l li nr e l a t e de n g i n e e r i n g s k e yw o r d s ：c f r d ； e x t r u s i o n s i d e w a l l ；e q u i v a l e n tm o d e l ；d a m a g em o d e li n c o n c r e t e ：i n t e r f a c e ； f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：凄乡翁但2 0 0 6 年月日 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：秀多翁但2 0 0 6 年月日 河海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 混凝土面板堆石坝的发展概况 1 1 1 混凝土面板堆石坝的发展现状 混凝土面板堆石坝( c f i m ，通常简称为面板堆石坝或面板坝) 是以位于坝 体上游的混凝土面板为主要防渗体，堆石区为支撑的一种土石坝坝型。混凝土面 板堆石坝以其在安全可靠性、经济性和适应性三个方面的明显优势成为当今世界 主要坝型之一，我国在建大坝中有一半以上为混凝土面板堆石坝。混凝土面板堆 石坝主要由混凝土面板、垫层、过渡层、主堆石区、次堆石区等几部分组成。 混凝土面板堆石坝的发展大致分为三个阶段：早期抛填堆石阶段、抛填堆石 到碾压堆石的过渡阶段和碾压堆石阶段【l ，2 】。大型碾压技术出现才使堆石坝进入 了具有现代意义的混凝土面板堆石坝阶段。1 9 7 1 年建成高1 1 0 m 的澳大利亚 c e t l l a i l a 坝奠定了现代混凝土面板堆石坝的技术基础。以后又相继建成了高1 6 0 m 的巴西阿里亚坝、高1 4 8 m 的哥伦比亚s a l v a i n a 坝、高1 4 5 m 的巴西s e 掣e d o 坝 和高18 7 m 的墨西哥a g u 锄i l a 坝等一大批混凝土面板堆石坝。混凝土面板堆石 坝的设计和施工方法日趋成熟，运行状态良好，在世界范围内得到广泛应用，国 际大坝委员会将其作为主要坝型进行推广。 中国最早的抛填式混凝土面板堆石坝是贵州猫跳河二级百花水电站大坝，于 1 9 6 6 年建成，坝高4 8 ，7 m 。上游面设有干砌石垫层，坝踵处为混凝土底座，上 接混凝土面板。以现代技术建筑的碾压式混凝土面板堆石坝始于19 8 5 年，最早 开工建设的是西北口水库大坝( 简称西北口坝) ，于1 9 9 0 年建成。西北口坝位于 长江一级支流黄柏河东支中游，在湖北宜昌境内，最大坝高9 5 m ，坝顶长2 2 2 m ， 坝顶宽8 m ，上、下游边坡均为1 ：1 4 ，混凝土面板顶部厚0 3 m ，底部厚o 6 m 。 西北口坝是“七五”国家重点攻关的试验坝，该坝的建成为我国修建混凝土面板 堆石坝积累了丰富的技术经验。中国建设混凝土面板堆坝起步较晚，但发展很快， 二十年来，已建成了天生桥一级、芹山、白云、黑泉、引子渡、珊溪、乌鲁瓦提 等一批混凝土面板堆石坝( 见表1 1 ) ，我国已成为世界上修建混凝土面板堆石 坝最多的国家。这些大坝无论在工程规模上还是在设计和施工技术上都达到了世 第一章绪论 界水平。在建设过程中，密切结合实际工程，积累了许多宝贵的实践经验。根据 工程需要，进行了大量科学试验，在筑坝材料、混凝土面板、坝基处理、接缝止 水结构与材料、旋工技术、原形观测等方面取得了丰硕成果。 表1 1中国己建成或在建1 0 0 m 以上的混凝土面板堆石坝 1 1 2 混凝土面板堆石坝的主要特点 混凝土面板堆石坝具有三大主要特点：薄层碾压堆石、级配垫层、滑模浇筑 混凝土面板。 ( 1 ) 薄层碾压堆石 河海大学硕士学位论文 以薄层碾压堆石来代替厚层抛填堆石，可以使坝更为密实，沉降变形大量减 小。当碾压堆石薄层厚度小于2m 时，能达到较高的密实度，孔隙一般都在2 5 之下，有的甚至可小于2 0 。碾压后堆石材料的变形模量都在3 0m p a 以上，有 的能达到1 3 0m p a ，改善了堆石体的力学性能。堆石体的总沉降绝大部分在施工 期完成，竣工后的沉降都在o 5 以下，大大改善了大坝的运行条件。薄层碾压 堆石解决了早期抛填堆石大变形和面板不协调的关键性问题【4 l 。 在抛填堆石时期，对石料的要求比较严格，要求母岩必须新鲜完整、坚硬且 裂隙不发育，石块大于1 0c m ，细料含量不能过多。采用碾压堆石后，用料方面 有了更多的选择余地。 ( 2 ) 级配垫层 垫层是混凝土面板堆石坝中最重要部位之一，它既是防渗面板的可靠基础， 又是坝体防渗的第二道防线，垫层的防水性能是影响大坝安全运行的关键因素。 垫层的设计一直为坝工界所重视，其设计思想的演变过程大体分为均匀垫层、级 配垫层和现在应用的半透水级配垫层三个阶段。 半透水级配垫层应具有内部渗透和渗流稳定性、低压缩性和高抗剪强度等特 性。垫层中细粒含量过多，会降低垫层的压缩模量，易于产生不均匀变形，同时 会减小抗剪强度，影响上游坝坡的稳定；细粒含量过少就会增大垫层的渗透系数， 影响渗透稳定。级配良好的垫层料，其细粒能填满粗料的孔隙，可压实到很高的 密度，具有较高的变形模量，对面板起很好的支承作用。不均匀系数c u 和曲率 系数c c 是评价垫层级配好坏的重要指标，一般认为，当c u 5 ，c c = 1 3 时，垫 层的级配是良好的。国内已建混凝土面板堆石坝中，多数c u 2 0 ，最大粒径8 0 m m ，p 5 ( 粒径小于5 姗的颗粒含量) = 2 5 叫5 ，p o 1 5 ，实践证明它们的级配 都是良好的。垫层的变形和强度应满足面板、过渡层和主堆石区的变形协调关系， 有足够的抗剪强度，以保证坝坡的稳定性，具有低的压缩性和较高的变形模量， 确保在水压力作用下变形极小，防止面板开裂和止水系统破坏而失去防渗性能 【5 】o ( 3 ) 滑模浇筑混凝土面板 现代的混凝土面板是坚向缝分割的长条浇筑块，条块宽度一般为1 2 1 6m ， 用滑模快速浇筑。条块间的接缝除周边缝外都不设压缩性填料，而是设置止水， 第一章绪论 条块之间保持硬性接触，以免接缝中填料的变形使周边缝变形加大。面板的水平 缝一般按旖工需要和临时渡汛的要求设置，对于中小坝可以不设。水平缝按施工 缝处理，只将钢筋通过而不设止水，继续浇筑时作清洗凿毛处理。面板的滑模浇 筑不仅能够更好地保证浇筑质量，而且可以均衡地安排生产，连续浇筑，在短期 内完成较多的工作量，工期有保证1 1 j 。 1 1 3 混凝土面板堆石坝的最新进展 尽管我国建筑混凝土面板堆石坝的历史还比较短，但是技术起点高，发展速 度快，筑坝技术已达到世界先进水平，并在工程实践中积累了丰富的设计、施工 和安全性分析等方面的经验，同时，研发了新筑坝技术和施工工艺。例如：挤压 墙技术，深覆盖层上建造混凝土面板堆石坝技术，坝基的混凝土防渗墙防渗控制 措施，狭窄河谷地形下建造面板堆石坝技术，面板堆石坝建造中的过水渡汛，上 游坡面的反渗处理，利用软岩建造面板堆石坝，面板的一次性浇筑，坝体分区的 控制，应用g p s 在筑坝和运行中进行监测 6 等。这些技术、工艺的应用为面板堆 石坝在我国的发展铺平了道路，展现了面板堆石坝的强大生命力。 ( 1 ) 挤压墙技术 挤压墙( 也称为挤压式边墙) 技术是一种面板堆石坝上游坡面垫层料填筑施 工的新技术，在巴西伊塔( i t a ) 坝的建筑中被首次创造性的使用。这种技术简化 了施工程序，加快了施工进度，提高了垫层料的压实质量，因而得到了国际坝工 界的重视和推广。本文将在下一节详细介绍。 ( 2 ) 深覆盖层上建筑面板堆石坝 对于修建于深覆盖层上的面板堆石坝，采用混凝土防渗墙构筑一道垂直防渗 体系是工程中经常采用的有效方法。采用这样的防渗体系，防渗墙与上部坝体防 渗体( 面板) 的连接将是整个防渗体系的关键部位【7 娟 。 对于在深覆盖层地基上建造高混凝土面板堆石坝，趾板建于地基防渗墙的顶 部，则要解决由混凝土面板与防渗墙共同组成的防渗体系是否安全可靠，面板与 地基防渗墙的连接以何种方式更为合理。上述防渗体系在地震区是否会因地震破 坏而失效这些至关重要的问题【9 j o 通过已建覆盖层上混凝土面板堆石坝的实践，证明直接在河床覆盖层上建高 河海大学硕士学位论文 面板坝是可行的，坝基防渗墙和面板共同组成的防渗体系是安全可靠的【m ”】。 ( 3 ) 狭窄河谷地形下的面板堆石坝 对于峡谷地形条件下修建的高面板堆石坝，岸坡的约束和坝肩边坡的地形对 坝体和面板的应力和变形特性有着直接的影响，因此，在计算分析中，必须在综 合考虑坝址地形条件的情况下，对坝体进行整体三维有限元计算分析。通过考虑 河谷地形和施工顺序对坝体及面板应力变形的影响，深入研究了面板堆石坝在狭 窄、不对称河谷地形条件下的应力、变形分布规律，为坝体材料的合理分区及断 面的优化设计提供依据1 。 。 ( 4 ) 上游坡面的反渗控制 由于面板堆石坝的河床段水平趾板区域通常是大坝的最低点，靠近大坝河床 趾板区域在施工过程中必须面临积水的抽排和反渗问题，尤其是趾板下游坝体内 的水通过坝体反滤区排出，破坏了大坝垫层斜坡面的保护砂浆或喷混凝土，同时 带走了反滤料中的细颗粒，进而加大了该区域的填筑料的空隙率，成为影响大坝 质量的问题，这就是反渗问题。许多混凝土面板堆石坝在施工时会出现反渗现象， 如芹山、黑泉、引子渡、西北口等面板堆石坝1 2 1 3 】。 当反渗水的水头差较小时，不会对上游坡面和面坝造成太大的影响。但是， 如果反渗水的水头差较大( 有的会高达十几米) ，引发的工程问题可能就比较严重 了，不仅对河床段趾板的开挖、浇筑施工排水难度等有较大影响，而且可能会大 范围破坏大坝垫层的斜坡面保护砂浆或喷混凝土，同时反渗水通过坝体反滤区 喷出而带走反滤料( 包括过渡料、垫层料和小区料) 中的细颗粒，加大了该区域的 空隙率，进而影响大坝质量。在面板浇筑完成后，较大的水头差甚至会抬动面板 造成面板裂缝，对面板质量产生不利影响。引子渡、芹山面板堆石坝工程采用反 向排水设计解决了这一难题【l 。 1 2 挤压墙技术的应用 1 2 1 挤压墙技术 混凝土面板堆石坝上游坡面的施工技术是控制施工进度和影响施工质量的 关键因素。在混凝土面板堆石坝上游坡面的施工中，传统的方法是采用垫层料的 第一章绪论 超填、削坡、斜坡碾压、坡面防护等工序，施工工序复杂，且平整度难以满足要 求。挤压墙技术主要借鉴道路工程中的道沿机挤压滑模原理，而创造出的一种面 板堆石坝上游坡面垫层料填筑旋工的新技术。它诞生于巴西，在位于乌拉圭 ( u m q u a y ) 河上的伊塔( i t a ) 坝建设中首次被采用【1 5 】。这种技术大大加快了 施工进度，提高了垫层料的压实质量，因而得到了国际坝工界的重视和推广。 挤压墙技术是在填筑垫层料之前，沿着混凝土面板堆石坝上游垫层料设计 边线，采用混凝土挤压机( 例如陕工局水利机械厂研制的b j y _ 4 0 型混凝土边墙 挤压机) 连续挤压出一低强度、低弹模、半透水的干贫混凝土挡墙，这种挡墙称 为挤压墙( 见图1 1 和图1 2 ) 。等到挤压墙混凝土达到一定强度后，再在其下游侧 铺填垫层料，并用振动碾水平碾压，完成垫层料的填筑施工。它与传统垫层料填 筑施工技术不同之处在于传统施工技术填筑垫层料时，必须向上游面超填2 5 3 0 c m 垫层料，然后先进行水平碾压，待垫层料水平铺填至一定高度后，再进行斜 坡碾压、削坡整理和喷砂浆固坡等工序。因此，新技术简化了施工程序，使多道 工序一次完成，加快了施工速度，并提高了垫层料的填筑质量。 l z ! | 图1 - 1面板坝挤压墙( 单位：)图l - 2 面板坝挤压墙的实际结构 挤压墙施工基本程序大致分三个阶段1 6 。8 】： ( 1 ) 基础找平人工将垫层料表面大致找平，然后用水准仪精确放样，插钢 筋棍拉线找平，待一定范围的垫层料找平后，用振动碾碾压至设计要求的遍数和 密实度。 ( 2 ) 挤压墙混凝土施工沿大坝上游面将挤压机具就位，混凝土罐车卸料入 仓，速凝剂从下料口按比例掺入混凝土中，挤压机依靠向外挤压混凝土的反推力 而向前行走，挤压机行走的同时形成挤压墙。 ( 3 ) 垫层料的摊铺挤压墙混凝土成型后3 4 小时，即可按照常规方法进行 河海大学硕士学位论文 垫层料的摊铺。 1 2 2 挤压墙技术的特点 与混凝土面板堆石坝传统的施工工艺相比，挤压墙技术在施工进度和质量、 临时渡汛、安全性等方面有以下几个特点【1 8 五1 】： ( 1 ) 施工工序简化，进度大大加快 挤压墙技术使多道工序一次完成，施工工序简单，施工进度加快，特别是 减少了垫层料的超填、削坡、斜坡碾压、坡面防护等工序。挤压墙施工一般速度 达4 0 6 0 m 1 1 ，在混凝土成型后2h 左右即可进行垫层料铺填，3 4 h 可以振动碾压 垫层料，从而使垫层料、过渡料区与大坝主堆石区同步上升，加快了整个大坝施 工的填筑速度。 ( 2 ) 施工质量提高 使用挤压墙技术后，垫层料的碾压由水平碾压一次完成，取代了传统技术 中的垫层料斜坡碾压，从而提高了上游坡面垫层料的密实度，进一步确保了垫层 料的碾压质量。并且挤压墙可提供一个规则、平整的坡面，坡面整洁美观，有利 于施工管理。 ( 3 ) 旌工设备机具简化，经济性提高 挤压墙技术应用后，传统技术需要的坡面平整、斜坡碾压、喷砂浆固坡等 相关的机械设备被挤压机所取代，人工修整作业大为减少，从而减轻了劳动强度， 节省了劳动力，降低了施工成本，更具有经济性。 ( 4 ) 渡汛能力增强 对于大、中型工程，尤其是施工期需要坝体临时挡水渡汛或在多雨地区施 工的面板堆石坝工程，使用挤压式边墙技术，能及时提供一个可抵御冲刷的上游 坡面，从而使导流、度汛和防止雨水对上游坡面冲蚀的能力大大提高。 ( 5 ) 安全性提高 由于挤压墙在上游坡面的拦挡作用，垫层料在卸料铺填时，不需要超填、 也不会沿坡面分离和滚落，也减少了人工坡面修整和斜坡碾压等工序，减少了垫 层料施工对大坝上游趾板区的帷幕灌浆等施工的干扰。同时由于挤压式边墙有一 第一章绪论 定强度，对垫层料有侧限作用，这样碾压机沿上游坡边沿进行碾压时，碾压设备 的施工安全性得到了提高。 1 2 3 挤压墙的数值模拟方法 由于挤压墙的几何尺寸相于坝体而言是非常小的，因而在使用有限元法进 行三维数值分析时，很难使用挤压墙的实际物理形状作网格剖分。现在通常使用 的有两种方法：子结构法和等效模型法。子结构法是先对整个的坝体进行较粗的 网格剖分，计算出整个坝体的位移和应力应变值，然后，再取含有挤压墙的一小 部分作为子结构进行网格细分，把整体分析的计算结果作为初始条件和边界条 件，对子结构进行分析。等效模型法就是选取一个与原有挤压墙几何面积和力学 性能等效的模型来代替，张建民，张嘎【2 习等人假定整个挤压墙体为一个柔性薄 层结构铺设在坝体上游坡面，固将其等效地简化成一整块连续的混凝土薄板，称 为等效板。于是将挤压墙与垫层之间锯齿状交错的形状简化成平面的，极大地简 化了几何模型。它通过采用合适的材料模型及合理地确定模型参数来反映挤压墙 的力学特性。等效模型法可以合理地揭示挤压墙的实际工作现状，并且计算量远 小于原状模拟方案，所以这种方法更适用于考虑挤压墙的面板坝三维有限元分 析。 1 2 4 挤压墙技术的研究现状和存在的问题 挤压墙技术是一种的较新的施工技术，国内仅仅在公伯峡、芭蕉河、水布 垭等少数几个工程中得到应用。对于它的作用机理、物理模型、数值模拟方法等 方面认识还不够清楚，需要进一步研究。 ( 1 ) 挤压墙的作用机理 挤压墙最为重要的作用就是在垫层施工时，在大坝的上游面形成一个混凝 土挡墙，为垫层提供方向指向下游的侧向约束力，保证垫层在铺料以及碾压成型 过程中，垫层料不会超出上游面。挤压墙的另一个作用是在大坝施工时，能够挡 水渡汛，或在雨季防止雨水对上游坝面的冲刷破坏，保护上游坝面。这两个作用 都表现在施工过程中，大大方便大坝上游面的施工，且对大坝建成后的正常运行 没有什么影响。对大坝运行真正起到影响作用的是挤压墙的材料性能，建筑挤压 墙通常用的材料为低强度、低弹性模量的干贫混凝土。大坝蓄水后，在上游面板 河海大学硕士学位论文 压力的作用下，挤压墙会被逐渐压碎，性质上逐渐接近于垫层料。挤压墙的这种 作用机理还没有得到实验或己建大坝验证，现在只是定性的推测。 ( 2 ) 挤压墙等效模型 由于挤压墙分布在整个坝体的上游面附近，所以取的子结构与坝体的其它 部分接触面积很大，作为边界条件的整个坝体计算结果，对子结构分析的影响较 大，并且边界条件补值的插值函数也很难选择。因此，使用子结构法进行挤压墙 有限元分析时误差较大。等效模型法可以合理地揭示挤压墙的工作现状，而且几 何模型简单，使用方便，使有限元网格剖分和计算的工作量大为减少。但是，这 种方法不能反映上游坝面的亏坡和盈坡现象。 挤压墙作为一种新型结构，墙体的应力变形规律及其与坝体其它部分相互 作用的研究还没有得到实际工程的验证，这增加了挤压墙数值模拟的难度。 ( 3 ) 挤压墙对面板的影响 采用挤压墙施工技术后，挤压墙是否对面板的运行条件存在某些方面的不 利影响，目前在国内还没有得到实际运行资料验证。挤压墙基面可能对面板增 加基础约束，对面板的防裂不利，目前工程上的处理办法是在边墙与面板接触面 上喷涂一层乳化沥青等柔性材料，以减轻对面板的约束。挤压墙是水平方向层 间结合，与面板纵向分缝垂直相交，这种结构是否会对面板造成变形约束，目前 尚无定论，工程应用中有的采用沿面板分缝位置边墙切缝，以适应面板的沉降变 形。挤压墙层间结合施工过程中控制不好将产生层面棱线，增加边墙坡面不平 整度，对面板造成一定的约束，需要在面板浇筑前进行平整处理。 1 3 本文的主要内容 挤压墙技术作为一种较新的施工技术，国内已经在公伯峡、水布垭等少数 几个工程中得到了成功的应用。本文结合水布垭面板堆石坝着重对挤压墙的作用 机理、数值模拟方法及其对面板坝变形的影响进行了探讨和研究，归纳起来主要 有以下几点内容： ( 1 ) 探讨了面板坝堆石体、接触面和周边缝的计算模型，合理地选用了 d l l l l c a l le b 模型、g o o d m a n 无厚度接触面单元作为堆石体、面板与挤压墙接触面 第一章绪论 的计算模型。 ( 2 ) 讨论了损伤力学的基本理论，将损伤力学引入面板堆石坝挤压墙数值模 拟分析，采用非线性弹性损伤模型作为挤压墙的计算模型。 ( 3 ) 在三维有限元计算程序t s d a 的基础上，编写了挤压墙损伤模型数值分 析的子程序，实现了面板堆石坝三维有限元分析和挤压墙三维损伤分析。 ( 4 ) 建立水布垭面板堆石坝三维计算模型，利用所编程序对其进行了三维有 限元数值分析，并把所得坝体变形情况和挤压墙损伤值，与水布垭面板堆石坝现 场实测数据对比分析，验证了计算模型的合理性和模拟方法的可行性。 本课题的研究成果将为挤压墙的应用提供理论依据，为面板坝的设计提供 技术支持，具有较强的实用性，对挤压墙技术在相关工程中的应用具有重要的参 考价值。 河海大学硕士学位论文 第二章混凝土挤压墙的材料损伤力学性能 2 1 损伤力学的基本理论 2 1 。l 损伤力学的发展 损伤力学是一个新兴的热门学科，是固体力学的一个分支。1 9 5 8 年k a c h a n o v 最初提出了用连续变量描述材料受损的连续性能变化过程，其学生r 丑b o t r l o v 在 此基础上作了推广，奠定了损伤力学的基础。此后，法国k m a i t r e 用连续介质 力学和热力学的理论研究了损伤对金属材料的弹、塑性的影响，瑞典h u l t 、英 国l e c k i e 研究了损伤与蠕变的耦合作用，日本村上澄男研究了损伤的各向异性 等等，逐步形成了损伤力学理论。损伤力学理论是研究材料内部微缺陷的产生与 发展所引起的宏观力学响应及最终导致材料破坏的过程和规律的一门学科 【2 3 t _ 7 】，它源于古典的材料力学和断裂力学，同时也是材料力学和断裂力学的发 展和补充。 损伤力学有两个主要分支：连续损伤力学和细观损伤力学。连续损伤力学是 利用连续介质力学和热力学的睢象学方法研究损伤的力学过程，重点考虑材料损 伤的演化过程与规律，要求连续损伤力学理论符合材料的实际力学变形行为。而 细观损伤力学是运用典型损伤基元得到材料变形与细观损伤参数的关系。 根据材料的变形性质，损伤可分为：弹性损伤、弹塑性损伤、蠕变损伤、疲 劳损伤、热损伤和腐蚀损伤等。 损伤是一种场变量，它和应力场、温度场的概念一样。在分析时首先要在物 体内某点选取单元体，假设该单元体内的应力、应变和损伤均匀分布，用连续介 质力学的方法对损伤及其对材料力学性能的影响进行分析。 2 1 2 损伤变量 实际上，材料的损伤是离散的，连续损伤力学中，对材料的损伤进行了连续 性假设，损伤对材料的影响用一个或几个连续的场变量来表示，这种变量称为损 伤变量。1 9 5 8 年，k a c h a n o v 在研究金属的蠕变过程中，首先提出用连续性变量 描述材料的损伤状态，并称为损伤因子。 第二章混凝土挤压墙的材料损伤力学性能 0 w 1 苦= p 置 图2 1名义应力与有效应力 现以等直杆单轴受拉为例说明损伤因子及损伤变量的概念。如图2 1 中，设 等直杆无损伤时初始横截面面积为a ( 名义面积) ，受损后的实际承载面积( 有 效面积) 为彳，则损伤因子扩为 y ：兰( 2 一1 )y 2 j ( 2 1 ) 设单轴受拉时横截面上的应力( 名义应力，也称c a u c h y 应力) 为盯，则作 用在等直杆上的力为 p ：叫：赫 其中，子称为有效应力，由于材料产生了损伤，有效面积减小，有效应力大于 名义应力。可以得出 仃：! ( 2 2 ) r 曲。恤o v 推广了这一概念，引入了损伤变量珊 删一川一号= 等 ( ：_ 3 ) 因此，有效应力可表示为 孑：尝：三 ( 2 4 ) 非i2 而 【卜4 j 当功= o 时，表示无损伤状态；当= 1 时，表示完全损伤状态，材料完全失 去了承载能力；当0 珊c 1 时，表示材料处于不同程度的损伤状态。损伤变量国 也常被称为损伤度或损伤比。 河海大学硕士学位论文 2 1 3 等效应变假设 由于直接测定有效面积j 是非常困难的，为了间接测定损伤变量， l 锄a i 廿e 【2 8 】提出了应变等效假设：应力作用在受损材料上引起的应变与有效应力 作用在受损材料引起的应变是等效的，受损材料的本构关系可以利用无损伤时的 形式，也就是说，将本构方程中的应力口替换成有效应力孑即可。 s ：! ：旦一：罢 f 2 5 1 占 ( 1 一) 占 e 作了应变等效假定后，有效应力代替了名义应力，受损材料的弹性余能与无 损材料的弹性余能是等效的，这就是能量等效假定2 9 1 。 2 1 4 损伤力学的研究方法 损伤力学理论一般包括以下研究步骤： ( 1 ) 选取合适的损伤变量，建立合理的损伤演变方程损伤变量是本构方程 的内部状态变量，根据不同的损伤过程，选取的合适损伤变量易于建立与宏观力 学变量之间的关系，易于建立能正确反映损伤发展规律的损伤演变方程。 ( 2 ) 建立基于损伤的的本构模型该模型包含相应的损伤变量，通过损伤变 量来反应材料的应力应变关系。 ( 3 ) 确定材料的损伤参数例如混凝土材料，必须确定它的初始损伤值、 损伤闽值，和极限损伤值国，等相关参数，才能进行混凝土结构的损伤分析，损 伤参数取值的合理与否直接影响了计算结果。 ( 4 ) 对结构进行损伤分析根据初始条件和边界条件求解结构各点的应力、 应变和损伤值，根据损伤值可以判断各点的损伤状态。当损伤值达到材料的极限 损伤值时，就认为该点已经完全破坏，产生了宏观裂缝。 2 2 混凝土的损伤破坏机理 混凝土是一种多相颗粒复合材料，由水泥、砂、石、水和各种掺合材料及外 加剂混合硬化而成，性能比较复杂。但在宏观上只能将混凝土看作连续均质、各 向同性的材料；而在微观上，关于微裂缝发育与扩展的说法有平行微裂缝、翼裂 第二章混凝土挤压墙的材料损伤力学性能 缝等几种【3 0 。 2 2 1 混凝土的损伤演变过程 任何结构在形成过程中，其内部都不可避免地存在一些微缺陷，在使用过程 中，由于外界各种因素( 如荷载、温度变化、疲劳等) 的作用，这些微缺陷将不 断发展，形成宏观裂缝，裂缝的连续扩展，最终可能导致结构破坏。混凝土也不 例外，在浇筑、硬化成形过程时就存在毛细孔、空隙和裂隙等初始缺陷，在外界 因素的作用下，这些存在缺陷的部位将产生高度的应力集中，并逐渐扩展发育， 形成混凝土土体中的微裂纹。混凝土结构中的损伤使实际的混凝土材料既不均质 也不连续，并且这种不均质和不连续还将随变形过程不断演化，混凝土材料的力 学性质不断地劣化，最终导致破坏0 3 1 啦 。混凝土损伤力学是研究混凝土材料在 变形过程中损伤的演化规律。 混凝土的毛细孔、裂隙等初始缺陷本身就是一种损伤，称为初始损伤，在外 界因素的作用下，损伤有了发展，产生了新的损伤，当损伤逐渐积累到一定的程 度时，混凝土结构中就会出现宏观裂缝。混凝土材料力学性能的下降以及最终破 坏的过程，在本质上讲就是损伤的产生并逐步积累的结果p 。 图2 2 混凝土应力应变关系曲线 混凝土的应力应变关系曲线能够较好地反映出混凝土材料的损伤演变过程。 如图2 2 所示，从混凝土的应力应变关系曲线来看，混凝土材料的损伤过程可以 分为以下几个阶段： ( 1 ) 初始损伤 混凝土结构在浇筑成型过程中不可避免的会出现微空隙、微裂纹等初始微缺 陷，它们主要出现在骨料和砂浆之间的界面上，也有一些在砂浆内部，这些初始 河海大学硕士学位论文 微缺陷就是初始损伤瓯，也就是说，混凝土结构在承载前已经含有初始损伤。 ( 2 ) 弹性损伤阶段 混凝土加载后的开始阶段是线弹性的，其应力应变关系曲线近似于斜直线 ( 见图2 2 中o a 段) ，初始微空隙、微裂纹在应力集中作用下有所扩张或微小的 延伸，并出现少量新的微细裂纹，损伤值基本上与初始损伤比较接近。卸载后， 应力、应变基本上沿原线回到原点，这一阶段混凝土的损伤是可恢复的弹性损伤。 ( 3 ) 损伤发展阶段 混凝土材料应力应变关系曲线的斜直线阶段过后到极限应力的这一阶段，混 凝土的承载能力仍在增大，应力应变关系曲线的斜率却不断变化，是一段曲线( 见 图2 2 中a b 段) 。在这一阶段，混凝土材料内的原有损伤有了非常明显的发展， 同时出现了新的不可忽视的损伤。这些损伤中包含了一定量的不可恢复的塑性损 伤。在b 点，混凝土材料达到了极限应力盯，也称峰值应力，该点对应的损伤 值，称为峰值损伤，或称为损伤阈值。 ( 4 ) 损伤积累阶段 如图2 2 中的b c 段所示，峰值应力点过后，应力应变关系曲线转入下降阶段， 该段是一条凹形曲线，混凝土材料的应力逐渐下降，应变不断增加，表现为混凝 土的应变软化现象。在应力值约为盯，3 处( 如图2 2 中d 点) 的前半阶段，应力 下降较快，应变增加不大，其材料性能迅速劣化，产生了大量的新损伤，承载能 力快速下降；而后半阶段应力下降较平缓，应变增加大大加快。 这一阶段，混凝土材料的损伤不断积累，使其力学性能不断劣化，承载能力 下降。而实际上，下降的应力是混凝土的名义应力，其有效应力继续增加，因此， 损伤在不断发展，造成了占大部分的不可恢复的塑性损伤。损伤继续发展，最终 在c 点达到完全损伤，混凝土材料发生破坏。该点的应变为极限应变毛，对应于 该点的损伤称为极限损伤，( 啦= 1 ) 。 2 2 2 混凝土损伤的微观机制 在荷载的作用下，初始裂缝不断扩展、联结，形成新的裂缝。关于混凝土微 裂缝，主要有三种不同的观点吲： 第二章混凝土挤压墙的材料损伤力学性能 ( 1 ) 平行微裂缝模型 混凝土开裂时微裂区中的微裂缝平行于主裂缝的扩展方向，主裂缝扩展时会 吞弗部分微裂缝。 ( 2 ) 翼裂缝模型 单轴压缩时，裂缝的扩展方向与荷载方向一致；当初始裂缝与荷载成一定角 度时，初始裂缝将不会再沿着原来方向扩展，而是在原裂缝的两端形成像翼一样 的裂缝。 ( 3 ) 骨料干扰模型 骨料对裂缝的扩展有明显的干扰和阻滞作用。混凝土开裂过程是从界面引 发，随着荷载的增加，裂缝向基料中扩展，裂缝尖端碰到骨料后，被阻挡的裂缝 沿骨料界面扩展，再过骨料又受阻，继续沿界面扩展，直至开裂。对高强度混凝 土的裂缝往往能穿透骨料。 2 3 混凝土的损伤演变方程 混凝土的应力应变关系曲线是建立混凝土损伤演变方程的基础，混凝土的损 伤演变方程又是混凝土结构损伤分析的基础。目前，一般是通过盯一f 全曲线由 占来计算损伤变量。河海大学断裂与损伤课题组结合国家八五攻关项目进行了 一系列的试验研究，提出了一个将实测的任何类型p 一全曲线转换成相应的 盯一s 全曲线的方法： ( 1 ) 首先将实测的p - 全曲线变成p 伊m “一m “全曲线； ( 2 ) 将p 伊m a x 一m “全曲线再转换为口盯，一w w c 曲线，该曲线两端点的 坐标为( 1 ，o ) 和( 0 ，1 ) ，该曲线可以表示为： 一， 旦：1 一( 兰) a 8 而( 2 6 ) d rw 。 其中，a ，卢为实测曲线回归得到的常数。 ( 3 ) 设该裂缝带的平均附加应变s 。= w ，使盯仃，一w w c 曲线转换成 d a f s 。啦线： 河海大学硕士学位论文 h 半严e 州矗 s 。 式中：e o 为初始弹性模量，口、口是常数，根据受力情况确定【3 4 】。在复合受力 的情况下，只要用等效的盯。、t 和毗替换公式中的口、s 和w 即可。 2 3 1由应变计算损伤变量 ( 1 )l o i a n d 损伤演变方程 l o l a l l d 3 5 】于1 9 8 0 年提出了一种损伤模型，这就是l 0 1 a n d 模型。该模型的损伤 演变方程采用分段形式，以峰值应力s ，分为鼯段。 式中，c l 和c 2 为常数 声2 南 c 1 = 鲁， c ：竺盟 占“s r s s ， 。 ( 2 8 ) s r o ) 式中，s ，= s “+ 占。 ( a ) 有效应力一应变曲线 ( b ) 应力一应变曲线 ( c ) 损伤一应变曲线 图2 4m a z a r s 损伤模型 m a r z a r s 模型用等效应变把一维的模型扩展至三维，并且考虑到混凝土抗拉 和抗压性能的差别，但是就多轴应力的总体情况而言，这种推广不够理想。 2 3 2由应力计算损伤变量3 7 】 根据损伤力学理论，损伤变量可以用下式计算 ：1 一墨二_ ：1 一营e( 2 1 2 ) 河海大学硕士学位论文 假设混凝土是完全无损的，损伤变量恒等于0 ，为理想弹塑性材料。显然， 其上升段的斜率为混凝土材料的无损伤弹性模量五，它大于真实的有损材料的初 始弹性模量岛，并且它的峰值应力一，将大于真实的有损材料的峰值应力仃，( 如 图2 一l o 所示) 。根据应变等价原理可知，f ，= 占，即c 和c 的应变相等。 从理论上来说，只有与完全无损混凝土相比，所得到的损伤值才是有损混 凝土的真实损伤值。 盯 o 。f 0 图2 5 混凝土应力应变全曲线 由于混凝土材料被假设为完全无损的，应力应变曲线的下降阶段，当发生 应变s 。时，爿点应在爿的位置，硝点的卸载线d 爿应与o c 平行，于是得到4 点的卸载线d 彳，所以，4 点的有损弹性模量丘为 豆： 丝：生 式中，s ，为无损材料的峰值应变，s ，= 暑 代入式( 2 1 3 ) 得 琶：堕e 盯， 将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 1 2 ) 得 吼：l 一阜 o ， ( 2 1 3 ) ( 2 一1 4 ) ( 2 一1 5 ) 第二章混凝土挤压墙的材料损伤力学性能 则峰值应力点的损伤值为 盯， 国。1 一 于是，变换( 2 - 1 6 ) 式，便可由盯，和，得到无损峰值应力口， 盯， 盯，= l 1 一， 将上式代入式( 2 1 5 ) 就可得到 s ，时的损损伤演变方程 ( 2 一1 6 ) ( 2 1 7 ) 出：1 一二( 1 一埘r )( ，) ( 2 1 8 ) o | 一。 在混凝土的应力应变关系曲线的上升阶段，接近一条直线，故设上升阶段 的损伤演变方程为线性的： 国= + 旦( r 一)国= o + ( r 一o j 6 f 。 所以，完整的损伤演变方程为 仃 o f ( 2 1 9 ) 。+ 二( 国r 一国。) s r ) 盯， 。 ( 2 2 0 ) 1 一旦( 1 一，)( s s ，) 仃， 。 。 w 1 河海大学硕士学位论文 2 4 混凝土拉、压损伤的等效关系 无论是在受拉还是受压的应力条件下，混凝土材料都会产生损伤，分别称 为拉损伤和压损伤。混凝土是一种典型的脆性材料，其抗拉和抗压的性能是完全 不同的。但是，拉损伤和压损伤