高土石坝张拉裂缝开展机理研究与数值模拟

【摘要】： 张拉裂缝是土石坝常见的隐患和引起土石坝破坏的主要原因之一,也是对坝体安全造成威胁和亟待解决的关键技术难题。因此,开展压实粘土在三轴拉伸条件下拉伸特性和破坏机理的研究对于土石坝工程的安全评价具有重要意义。本文在前人研究成果的基础上,研究探讨了压实粘土在三轴拉伸条件下应力应变特性和破坏机理,建立了压实粘土张拉裂缝的三维无单元数值模拟方法。本文的主要研究工作和创新成果有: 1.研制了卧式三轴拉压试验仪。该仪器采用位移控制式加载方式,轴向刚度大,可以测定三轴条件下土体拉伸破坏全过程应力位移曲线,可进行三轴压缩、三轴拉伸和三轴压缩和拉伸组合试验。 2.采用糯扎渡和双江口心墙土料进行了系列的三轴拉伸、三轴压缩和三轴压缩-拉伸组合试验,研究了压实粘土在三轴拉伸和压缩-拉伸组合条件下的应力应变关系特性和拉伸破坏特性。在此基础上,提出了压实粘土拉压统一的联合强度准则,并对邓肯张EB模型进行了扩展,扩展后的模型可统一描述压实粘土在压缩、反向加载和拉伸条件下的变形特性。 3.推导了三维点插值无单元法的计算公式,提出了点插值无单元法与有限元法的耦合方法。与比奥固结理论相结合,开发了无单元与有限元耦合的三维有效应力应变分析计算程序系统。 4.提出了基于无单元法的弥散裂缝模型。通过将裂缝弥散到无单元法结点影响域中,并考虑压实粘土张拉断裂过程中的各向异性,构建了基于无单元法的裂缝弥散理论的计算模式,推导了压实粘土三维脆性断裂和钝断裂带无单元法模型。 5.将上述研究成果嵌入已有有限元计算程序系统,发展了土石坝应力变形和裂缝分析三维计算程序系统。对双江口高心墙堆石坝坝体横向张拉裂缝和心墙水力劈裂裂缝问题进行了三维计算分析,对该坝发生坝体横向裂缝和心墙水力劈裂的可能性进行了分析和评价。