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高寒地区混凝土大坝冻融破坏机理研究

于贺  
【摘要】:和其它大体积混凝土结构一样,混凝土大坝结构中有很多可以被水侵入和穿过的裂缝,造成这种结果的原因有很多,比如热梯度荷载、冰荷载、混凝土的干缩和冻融作用等。在高寒地区,四季温差变化很大,一年之中会有多次的冻融循环,严酷的气候条件和冰荷载的共同破坏作用,很可能会导致大坝的力学性能劣化。研究大坝的冻融破坏机理对修复水工结构有着十分重要的意义。论文的主要内容包括: 1.以丰满大坝为例,根据丰满地区的气温纪录和丰满大坝的地质条件,提出了基于瞬态热传导模型和热应力模型来预测混凝土大坝的冻融行为的数值方法,该模型中热传导的边界条件为大气温度和水库温度。研究表明,在比较严寒的12月、1月和2月,冻融循环作用在大坝下游面引起的拉应力大于混凝土的抗拉强度,所以大坝的下游面可能会产生裂缝。 2.应用仿真技术研究了高寒地区混凝土重力坝施工期和运行期温度和热应力的时空分布规律。基于已有的实验室混凝土温度损伤试验,分析了混凝土的损伤随温度变化的演变规律,确定了一个热损伤模型。采用损伤有限元法计算了混凝土大坝的损伤过程及损伤后的应力场,给出了大坝运行50年的损伤等值线分布情况,计算结果表明,最大的损伤和最大的热应力都分布在混凝土大坝下游面的相同位置,大坝的下游面很容易产生裂缝。 3.根据丰满大坝的观测信息,分析了大坝的渗流问题,确定了丰满大坝的饱和区分布和自由面的位置。应用细观力学分析方法,把混凝土看作是由不同属性的材料:骨料和水泥砂浆组成,引入接触单元来模拟它们之间的连接,利用该细观模型分析了混凝土热传导的特性,研究了混凝土在温度荷载和渗流影响的作用下裂缝形成的问题,计算了带有裂缝的混凝土块的应力分布,模拟了混凝土温度裂缝的扩展过程。研究表明,冻融作用下大坝饱和区的混凝土块的拉应力要远大于非饱和区混凝土块的拉应力,饱和区的混凝土会更容易破坏。 4.根据堆石料的三轴压缩实验,应用遗传算法反演了蒲石河堆石坝中堆石料的Duncan-chang E-B本构模型的参数,分析了影响混凝土面板变形的因素及其作用下的变形特性。建立了蒲石河堆石坝的三维有限元模型,堆石体采用Duncan-chang E-B本构模型,分析了堆石体施工过程中的变形特性,模拟了混凝土面板随温度变化下的变形和应力分布情况。研究结果表明,混凝土面板在8月份主要是受压,在2月份主要是受拉,在2月份混凝土面板容易产生裂缝。


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