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基于断裂力学的土石坝心墙水力劈裂研究

王俊杰  
【摘要】:心墙的水力劈裂问题是目前高心墙坝设计中急需解决的关键岩土工程技术问题之一,对其进行深入研究,有益于解决实际工程问题和进一步完善土石坝设计理论。本文在总结和评述前人研究成果的基础上,从发生条件、力学机理、判定准则和数值模拟等方面对其进行了系统深入地研究。 水力劈裂的发生条件包括物质和力学两个方面。前者是存在于心墙上游面的裂缝和心墙土料的低透水性,该条件通常是具备的;后者是库水进入裂缝后形成的足够强的“水楔”作用。由于“水楔”作用的形成需要快速的蓄水速率和心墙土体为非饱和状态,水力劈裂通常易发生在水库的初次蓄水期,若心墙土体为饱和状态或者稳定渗流已经形成,发生水力劈裂现象的可能性将不大。 通过裂缝进入心墙的水体,在裂缝内形成的梯度水压力改变了裂缝尖端的应力场,当该应力场的强度达到裂缝扩展所需要的强度时,裂缝就扩展,即发生水力劈裂现象,这就是水力劈裂发生的力学机理。该机理可从断裂力学的角度揭示,水力劈裂问题也可用断裂力学的理论进行研究。 从断裂力学的角度研究水力劈裂问题,首先要研究的是心墙土体的断裂特性。针对标准三点弯曲断裂试验中无法克服试样自重影响的缺点,提出了从水平方向施加断裂荷载的改进方法,并基于该改进方法,研制了适于测试土体断裂参数的测试仪。利用该仪器,对云南糯扎渡堆石坝心墙料的击实试样进行了室内断裂试验,论证了线弹性断裂力学的适用性,研究了其Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ—Ⅱ复合型的断裂特性。结合前人研究成果,建立了岩土材料的断裂韧度K_(IC)和单轴抗拉强度σ_t间的线性相关关系。提出了所研究土体的Ⅰ—Ⅱ复合型断裂判据。 基于线弹性断裂力学理论和断裂试验成果,提出了Ⅰ—Ⅱ复合型的水力劈裂判定准则。以含裂缝的方形水力劈裂试验试样和含裂缝的心墙上游面为例,推求了其发生水力劈裂的条件,讨论了判定准则的应用,分析了水力劈裂发生的机理和最危险裂缝的产状。 提出用4结点等参单元建立裂缝及其端部的有限元模型,用虚裂缝扩展法计算J积分,对水力劈裂的发生发展过程进行判定模拟的有限元方法。通过数值方法计算标准三点弯曲梁和非对称四点弯曲梁的应力强度因子,分析混凝土重力坝坝踵裂缝问题,验证了该方法的有效性。 讨论了裂缝长度、裂缝位置、库水位、以及心墙土料的弹性模量、泊松比和密度等对水力劈裂发生可能性的影响。 作为应用实例,对在建云南糯扎渡堆石坝心墙的抗水力劈裂性能进行了计算分析,讨论了其发生水力劈裂需要具备的裂缝条件和库水位的关系。计算分析表明,目前的设计是合理的,只要能够确保施工质量,心墙的抗水力劈裂性能应该是有保证的。


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