三峡永久船闸闸室墙及边坡的强度与稳定性研究

【摘要】： 本论文是结合长江三峡科研项目“三峡永久船闸闸室墙结构及边坡共同作 用”进行的。永久船闸在开挖过程中，发现基岩有许多大小不等的岩石块体，可 能产生局部稳定问题。已有的科研成果认为岩体是稳定的，将岩体和闸室墙作为 弹性体考虑，未考虑非线性问题，无法判断基岩块体的局部稳定性问题及对边坡 岩体的整体影响。本研究正是基于这一情况进行的。在研究过程中，结构上综合 考虑闸室墙、锚杆、锚索、岩体以及岩体中块体的共同作用，在工作条件上模拟 了混凝土浇筑全过程以及由此带来的温度作用和对结构引起的影响，并考虑结构 面非线性以及闸室墙与岩体的接触机理，进行非线性有限元和刚体极限平衡分 析，给出了综合稳定研究成果，为永久船闸设计提供了理论依据。 本文主要创新点如下： 一、不稳定温度场有限元分析的时间离散及散热边界的自动生成 1、一般情况下，在进行有限元分析时，温度变量在时间域内离散采用 差分形式。本文研究时采用泰勒展开式，这样可以使得温度场求解方程形式与所 采用的程序协调一致，并可使温度场的显式解法与隐式解法采用统一方程。 2、混凝土浇筑过程中温度场仿真分析时，散热边界随着施工过程不断变化， 对复杂结构要人工找出不同施工阶段相应的散热边界将是一项非常繁琐的工作。 为此，本文提出了一种自动寻找不同施工阶段散热边界的方法。 二、本文对含有软弱夹层或结构面的岩体和带初间隙的摩擦接触问题的有限 元分析方法进行了研究 1.用矩形或柱状常规薄层实体单元描述平面或空间岩体问题的夹层材料或 结构面，其精度比简化的节理单元或夹层单元要高。 2.对于带初间隙的摩擦接触问题，本文提出了基于矩形或柱状常规薄层实 体单元并以高斯点来描述接触状态的求解方法，使得接触状态的迭带和接触时的 摩擦迭带能同时进行。且具有以下优点：（a）能有效处理交叉或带拐点的接触面 问题；（b）可以有效地模拟施工过程带来的接触缝问题。 3、对厚度为零的结构面问题提出了相应的有效分析方法。基于夹层材料或 结构面的屈服、破坏一般是沿着结构面的走向发生，且抗拉强度很低，因此提出 了适用于夹层材料或结构面的广义摩尔库仑（简称MC）屈服准则。 三、本文综合了直接解法和迭带解法各自存在的优点，对目前国际上流行的 Jacob i 预条件共轭梯度迭代法进行了改进，提出了建立在结构分块基础上的结 构分块预条件共轭梯度迭代法。该法对求解超大型线性方程组和局部区域材料非 线性是非常有效的。 四、本文总结了结构有限元分析中存在的几类非线性问题，推导了弹塑性材 料的非线性有限元求解公式。在总结己有非线性有限元解法的基础上，首次引入 了刚度矩阵逆阵的Newmann展开算法，推导了相应的计算公式并对其收敛性和 如何保证解的收敛性进行了探讨，使得局部非线性问题只在局部非线性区域重新 形成刚度矩阵并求逆的求解成为可能，同时使得失衡力迭代可以采用精度高的牛 顿解法，丰富了大型结构非线性有限元方程组求解的方法。 五、三峡永久船闸在开挖施工过程中，发现有许多大小不等的块体，为了保 证这些块体的稳定性，设计部门根据不同情况提出了相应的加固方案。但这些方 案并未计及闸室墙与块体及岩体的相互作用情况。以往研究结果表明，作用在联 结闸室墙与岩体间锚杆的应力较大，且多为拉应力，显然其对块体的稳定是不利 的。本文将第二篇中的基本理论和方法，首次应用于研究混凝土施工浇筑过程、 混凝土与岩石之间的接触非线性机理、锚杆的作用及块体与岩体间结构面的非线 性特性，从而确定了块体的稳定性、闸墙结构变形、应力和锚杆的应力分布等。