有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用

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1、有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用有限元法在分析拱壩壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用THEAPPLICATIONOFFINITEELEMENTMETHODINANALYSlsINGARCHDAMSPANDRELSSTABILIZATIONDEGREEOFSAFETY.題吐GuChon

2、gshi(河海大學(xué).南京),qJ,‘HohaiUniversity,Nanjing)mn【摘要】在評(píng)述估計(jì)拱壩埂肩穩(wěn)定安奎度方法基礎(chǔ)上,結(jié)合某重力拱壩的左壩肩的穩(wěn)定問(wèn)題,重點(diǎn)對(duì)有限元法作了詳細(xì)分析,并與剛體極限平衡的等法和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的成果作了對(duì)比,-結(jié)果表明,用有限元法估計(jì)壩肩的穩(wěn)定安奎度比其它方法更能反映實(shí)際情況.【關(guān)鍵詞】有限元法穩(wěn)定安奎度剛體極限平衡等法1前言目前,國(guó)內(nèi)外評(píng)價(jià)拱壩壩肩穩(wěn)定安全度的方法,以剛體極限平衡法為主,這和地質(zhì)勘探技術(shù),巖石力學(xué)的發(fā)展水平有關(guān).最近幾年發(fā)展起來(lái)的可靠度理論分析大壩安全度方法,給壩工技術(shù)帶

3、來(lái)了更光明的前景,但在應(yīng)用方面尚缺少經(jīng)驗(yàn).還需逐步完善有限元理論的不斷發(fā)展,為評(píng)價(jià)壩的安全度開辟了新的途徑.此法力學(xué)概念明確,模擬壩體及地基力學(xué)參數(shù)較接近實(shí)際.近年來(lái)不斷用于大型工程及重要水工建筑物的設(shè)計(jì)之中.取得了較好的效果象一些地質(zhì)條件復(fù)雜,資料不全的工程以及蓄水初期的大壩,用有限元分析安全度,是一種比較切合實(shí)際的有效方法.因此.隨著有限元理論的不斷深化,計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,用有限元分析工程安全度.將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用.下面簡(jiǎn)要評(píng)述拱壩穩(wěn)定安全度的分析方法.2評(píng)述拱壩穩(wěn)定安全度的分析方法拱壩壩肩是一個(gè)復(fù)雜的天然巖體,限于*到稿時(shí)問(wèn):

4、lg95一l2一O3目前的測(cè)試技術(shù),還難以準(zhǔn)確地獲得巖體的物理力學(xué)參數(shù)(,,c).因此,拱壩壩肩穩(wěn)定評(píng)估方法有待不斷補(bǔ)充完善.下面介紹幾種目前壩工上常用的評(píng)估安全度的方法:安全系數(shù)法,可靠度理論和物理模型試驗(yàn)法.2.1安全系數(shù)法安全系數(shù)法是目前國(guó)內(nèi)外工程設(shè)計(jì)中最常用的方法,按計(jì)算原理可分為:剛體平衡理論和有限元法等.(1)剛體極限平衡理論眾所周知,該理論假定滑移體為剛體,作用在滑移面上的力系只計(jì)法向力和剪力.而不考慮彎矩作用.因此,計(jì)算簡(jiǎn)單,且比較成熟.已被廣泛應(yīng)用于估計(jì)拱壩穩(wěn)定安全度.然而此法比較粗略,忽略因素較多.但就目前勘測(cè)和試

5、驗(yàn)所得的原始數(shù)據(jù)的精度來(lái)看,還是相當(dāng)?shù)?該理論的計(jì)算方法眾多,但歸納起來(lái),主要是計(jì)算下式的安全系數(shù);∑Ⅳ+∑c.A.…—■_¨式中的.v,,C.,T.,A.分別是滑動(dòng)面上的法向力,摩擦系數(shù),凝聚力,剪力和滑動(dòng)面面積.顧沖時(shí)有限元法在分析拱埂壩肩穩(wěn)定中的應(yīng)用37若計(jì)算簡(jiǎn)圖為圖1,那末,可通過(guò)力系平衡方程:∑X=0]∑:0}∑Z一0J(2)求得M,,代入(1)式,求出滑動(dòng)面上(圖1,～中的ACB面)的安全系數(shù)K.圖1計(jì)算筒圖(2)有限元法有限元法原則上可以模擬巖體的地質(zhì)構(gòu)造和物理力學(xué)特性,采用線性和非線性有限元分析,可以得到滑移面上的應(yīng)力

6、,然后用(3)式計(jì)算整體或各塊穩(wěn)定安全系數(shù)從而初步掌握滑移面上的各塊的穩(wěn)定安全度,至于其應(yīng)用將在下面實(shí)例中詳細(xì)討論,?I.ds+IC?ds—d∞Jr.式中當(dāng)c一0時(shí).為純摩擦公式;當(dāng)c≠0時(shí),為抗剪斷公式;,r,f,C分別為某滑動(dòng)單元滑動(dòng)面上的正應(yīng)力和剪應(yīng)力,摩擦系數(shù),凝聚力;為滑動(dòng)面面積.2.2可靠度理論分析壩肩穩(wěn)定結(jié)構(gòu)可靠度理論分析復(fù)雜地基上拱壩壩肩穩(wěn)定,目前國(guó)內(nèi)外還屬研究階段,其主要特點(diǎn)是:將作用的荷載,荷載效應(yīng)以及抗力和物理力學(xué)參數(shù)都當(dāng)做隨機(jī)變量,通過(guò)統(tǒng)計(jì)特性的分析和檢驗(yàn),確定分布類型,然后用結(jié)構(gòu)分析法建立大壩的極限狀態(tài)方程,

7、從中求得壩肩的失效概率Pf和可靠度指標(biāo)它通常分下列三步進(jìn)行:1)統(tǒng)計(jì)分析;2)建立大壩失事模式及其極限狀態(tài)方程;3)計(jì)算失效概率Pt或可靠度指標(biāo)盧.可靠度理論應(yīng)用于拱壩壩肩安全度評(píng)估中,將一些主要參數(shù)作為隨機(jī)變量處理.因此,該法比安全系數(shù)法更能反映實(shí)際.但是該法要求有完整的觀測(cè)資料和試驗(yàn)資料.這對(duì)尚未竣工或蓄水初期的工程來(lái)說(shuō),往往無(wú)法達(dá)到從而用此法評(píng)價(jià)安全度時(shí),精度不高,甚至無(wú)法使用2.3模型試驗(yàn)法上述介紹的兩種安全度評(píng)估方法是數(shù)學(xué)力學(xué)分析法,而對(duì)于某些重要工程來(lái)說(shuō),除此以外,往往還需用模型試驗(yàn)進(jìn)行分析論證.本世紀(jì)7O年代末,8O年代

8、初發(fā)展起來(lái)的地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)技術(shù),可以做到原型的重力相似,地質(zhì)構(gòu)造的產(chǎn)狀和物理力學(xué)參數(shù)等相似.從而,可以在模型中找出破壞機(jī)理和工程的薄弱部位.并根據(jù)荷載與變形關(guān)系曲線扔步估計(jì)大壩和壩基的穩(wěn)定安全度.由于試驗(yàn)中的一些技術(shù)問(wèn)