von-Wolffersdorff亚塑性模型及其在面板堆石坝应力变形分析中的应用研究
堆石料和接触面弹塑性本构模型及其在面板堆石坝中的应用研究
堆石料和接触面弹塑性本构模型及其在面板堆石坝中的应用研究尽管现代面板堆石坝压实密度和变形模量较早期有很大提高,但坝体变形仍是面板堆石坝安全设计的主要问题。
筑坝堆石料的变形特性是影响面板应力量值和分布规律的重要因素。
此外,面板应力还与面板与垫层间的接触变形紧密相关。
近年来,高面板堆石坝在填筑、蓄水以及地震过程中出现了面板挤压破坏和面板脱空等问题,这些问题与堆石体的变形以及面板与垫层间的接触变形均有着密不可分的关系。
筑坝堆石料本构模型以及面板与垫层间接触面本构模型是计算分析面板堆石坝变形和面板应力分布规律的重要理论基础。
近年来,面板堆石坝填筑和蓄水过程的弹塑性有限元分析已经有了较大的发展。
但由于缺乏强震情况下的震害资料,面板堆石坝动力弹塑性分析方法的发展受到了一定的限制。
目前,在面板堆石坝动力分析中广泛采用的等效线性分析方法可以较好的反映中、低强度地震的加速度反应,但不能满足大坝在强震环境中可能出现的强非线性乃至破坏全过程模拟的分析要求。
强震下面板堆石坝较大的塑性(残余)变形,是引起面板挤压破坏和面板脱空等现象的主要原因,但等效线性分析方法不能考虑动力条件下塑性变形渐进发展过程,难以合理评价强震下堆石体变形对面板破坏的影响。
为此,本文首先采用大型三轴仪对筑坝堆石料的颗粒破碎、临界状态及剪胀特性进行了试验研究,在此基础上提出了一个考虑颗粒破碎的状态相关堆石料广义塑性模型。
然后提出了一个三维广义塑性接触面模型。
最终建立了一套基于筑坝堆石料和面板与垫层间接触面弹塑性本构模型的面板堆石坝三维静、动弹塑性有限元分析方法,并应用于紫坪铺面板堆石坝填筑、蓄水及地震全过程的静、动弹塑性有限元实例分析。
本文的研究内容及主要结论有：(1)采用大型三轴仪对紫坪铺筑坝堆石料进行了颗粒破碎试验研究。
试验表明：单调和循环荷载下堆石料的颗粒破碎率与塑性功之间存在良好的双曲线关系,且受孔隙比、围压和应力路径的影响较小(2)采用文献中的砂土试验成果分析了颗粒破碎和临界状态的关系。
堆石料亚塑性本构模型及面板堆石坝数值分析
堆石料亚塑性本构模型及面板堆石坝数值分析堆石料是面板堆石坝的受力支撑体系,其受力变形特性在很大程度上决定了大坝的工作性态。
本文在堆石料工程特性分析研究的基础上,对其进行全新的亚塑性本构建模,结合理论分析和数值计算,指出该模型能够反映堆石料的主要力学特性,且又有自身特色,一些特有的研究成果对堆石坝进一步的应力变形分析研究具有一定的指导意义。
具体研究了以下主要内容: (1) 分析了堆石料的压缩性,抗剪特性及其变形机理,概括了堆石料的非线性、压硬性、剪胀性和各向异性等主要力学特性,为亚塑性本构建模奠定了力学分析基础。
此外,对常规堆石料的本构模型进行了概括比较分析。
(2) 系统地介绍了亚塑性本构理论的起源、发展和目前国内外研究现状。
给出了亚塑性理论的数学力学基础理论,分析了亚塑性模型的一般表达形式及其基本力学特性。
(3) 分析研究了散粒体材料的孔隙比变化规律。
结合堆石料的力学特性分析,将Gudehus-Bauer亚塑性模型作一些改进后引入到堆石料本构建模中。
理论分析和计算都表明,该模型能够反映堆石料的主要力学特性。
此外,针对改进模型的9个材料常数中部分参数确定较困难的现象,建议了一种基于部分试验数据和反演分析基础上的参数确定的复合识别法,可方便地确定堆石料亚塑性模型的本构参数。
(4)对几种常规室内土工试验进行了亚塑性数值模拟,结合计算结果对亚塑性模型做了进一步的力学特性分析研究。
(5)开发研制了改进的堆石料Gudehus-Bauer亚塑性模型的有限元法计算程序,将其应用于堆石坝数值分析计算中,得到了一些有意义的新的研究成果。
(6)总结了面板堆石坝三维非线性有限元法计算的基本理论。
(7)对堆石料的流变性采用粘性-亚塑性理论进行了初步建模分析。
建立了基于亚塑性理论的面板与垫层之间的新型接触面模型。
面板堆石坝应力与变形弹塑性有限元计算与分析
面板堆石坝应力与变形弹塑性有限元计算与分析吴兴征;栾茂田;阴吉英【期刊名称】《大连理工大学学报》【年(卷),期】2000(040)005【摘要】用沈珠江建议的双屈服面模型对洪家渡面板堆石坝进行了三维有限元分析.计算中考虑到堆石材料的非线性和模拟运行过程,采用了逐级增量与不平衡力修正迭代相结合的算法,经与中点增量法的结果对比,表明该算法是有效的.通过对堆石坝体在施工和逐级蓄水加载过程中的应力和变形分析,探讨了坝体中某些特定单元在运行过程中的主应力轴旋转状态.对于坝体中部单元,在填筑过程中,主应力轴的偏转程度多在10°以内;蓄水加载时偏转程度增加约2 0%.而对于坝体上下游单元,主应力轴偏转则更加明显.对τ-σ3平面、q-p平面内的一些坝体单元的应力路径比较表明,不论是施工还是蓄水加载,q-p平面内的加载路径均较为明确.【总页数】7页(P602-608)【作者】吴兴征;栾茂田;阴吉英【作者单位】大连理工大学,土木工程系,辽宁,大连,116024;大连理工大学,海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁,大连,116024;大连理工大学,土木工程系,辽宁,大连,116024;大连理工大学,海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁,大连,116024;大连理工大学,土木工程系,辽宁,大连,116024;大连理工大学,海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁,大连,116024【正文语种】中文【中图分类】TV641;O343.2【相关文献】1.面板堆石坝三维弹塑性有限元计算分析 [J], 张惠军2.基于ABAQUS的深覆盖层地基面板堆石坝防渗墙应力与变形分析 [J], 王文姣3.混凝土面板堆石坝三维弹塑性有限元分析 [J], 章为民;沈珠江4.坝面溢流式面板堆石坝有限元计算与分析 [J], 苏永江;路文波;胡再强5.大角度折线型高面板堆石坝坝体和面板的应力与变形规律 [J], 朱安龙; 张胤; 廖洁; 张萍; 徐小东; 刘斯宏; 姜忠见因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
亚塑性模型在面板堆石坝应力变形分析中的应用
亚塑性模型在面板堆石坝应力变形分析中的应用通过对几个常见亚塑性模型进行对比分析,发现Wu-Bauer亚塑性模型的更
进版本——Wang-Wu亚塑性模型是比较适合应用于面板堆石坝的应力变形分析的。
Wang-Wu模型不仅继承了 Wu-Bauer模型简洁、易用的特点,同时还大幅地提高了对堆石料工程特性的捕捉能力。
需要指出的是该模型与工程中常用的邓肯E-B模型相比,对堆石料的常规三轴曲线的模拟结果更好。
根据亚塑性模型的研究惯例,本文的工作可分为校验和应用两大部分,归结为以下三点:1.新的参数:在对Wang-Wu亚塑性模型进行多组三轴试验模拟的基础上,针对该模型的特点,提出了一组新的参数,解决了在不同围压下,同种材料确定的模型参数相差过大的问题,为应用该模型分析实际问题
提供了一种办法。
2.有限元实现:针对亚塑性模型的切线模量矩阵与应变增量方向相关的特点,提出一套有限元解法,该解法是在弹塑性本构的中点增量法的基础上,增加了对
应变增量方向的修正得到的。
3.编程及工程应用:在课题组程序CFRD.f的基础上,开发了 Wang-Wu亚塑性本构子程序,通过对实际工程例子进行计算,并与工程中
广泛运用的邓肯E-B模型的计算结果进行平行对比,以及与部分实测位移值进行对比,验证了本文提出的新的参数及程序是可行的。
需要特别说明的是两种模型反映出的面板堆石坝应力变形规律相似,但
Wang-Wu亚塑性模型不存在邓肯E-B模型的顺坡向拉应力过大的问题。
最后,本
文在总结成果的基础,对Wang-Wu亚塑性模型的参数调优和改进方向提出了建议。
混凝土面板堆石坝变形特性三维有限元仿真分析的开题报告
混凝土面板堆石坝变形特性三维有限元仿真分析的开题报告一、研究背景混凝土面板堆石坝结构是一种由混凝土面板和堆石体构成的混合结构体系，具有结构形式简单、抗震能力强等优点。
该结构具有广泛的应用领域，包括水利水电工程、防洪工程等方面。
然而，由于混凝土和堆石体材料的差异、非线性及变形特性的差异等因素，混凝土面板堆石坝结构容易出现变形、开裂等问题，从而危及整个结构的安全性。
因此，对于混凝土面板堆石坝的变形行为进行深入的研究，对于提高结构的安全性具有重要意义。
二、研究内容本研究旨在通过三维有限元仿真，分析混凝土面板堆石坝的变形特性。
具体内容包括以下方面：1.建立混凝土面板堆石坝三维有限元模型，对其进行建模与网格划分；2.考虑混凝土和堆石体材料的非线性及变形特性，建立包含多种本构模型的有限元模型；3.对混凝土面板堆石坝结构施加水压和静载荷等载荷情况，进行有限元仿真计算，分析结构的变形特性、应力状况等参数，并通过对比分析，探究不同参数对结构变形的影响；4.通过仿真的结果，提出结构的改进措施，提高结构的安全性。
三、研究方法本研究采用三维有限元方法对混凝土面板堆石坝进行数值模拟分析。
具体方法如下：1.建立混凝土面板堆石坝三维有限元模型，采用ANSYS或ABAQUS 等软件进行建模；2.采用包含多种本构模型的有限元模型，考虑混凝土和堆石体材料的非线性及变形特性；3.分别对混凝土面板堆石坝结构施加水压和静载荷等载荷情况，进行有限元仿真计算，得到结构的变形特性、应力状况等参数；4.通过对比分析，探究不同参数对结构变形的影响，提出结构的改进措施，提高结构的安全性。
四、预期成果1.建立混凝土面板堆石坝三维有限元模型，得到结构的变形特性、应力状况等参数；2.通过对比分析，探究不同参数对结构变形的影响，提出结构的改进措施，提高结构的安全性；3.提供混凝土面板堆石坝建设工程实践的参考依据，具有一定的理论和实践意义。
五、进度安排1.文献综述与研究问题的明确（1个月）；2.混凝土面板堆石坝三维有限元模型的建立（2个月）；3.采用包含多种本构模型的有限元模型进行数值模拟，分析结构的变形特性（3个月）；4.分别对混凝土面板堆石坝结构施加水压和静载荷等载荷情况，进行有限元仿真计算，得到结构的变形特性、应力状况等参数（3个月）；5.通过对比分析，探究不同参数对结构变形的影响，提出结构的改进措施，提高结构的安全性（2个月）。
覆盖层上面板堆石坝的应力变形特性研究
面板堆石坝坝高 !;; ,，居同类 坝 型 世 界 第 一
［;］
。
随着我国水能资源开发程度的进一步提高，优良坝 址日益减小，不少拟建面板坝都将面临深厚覆盖层 上筑坝的技术难题。 随着我国筑坝技术和坝基处理技术的提高，保 留坝基覆盖层已成为重要发展趋势，如云南那兰水 电站、新疆察汗乌苏水电站、甘肃九甸峡水电站等 大坝 均 将 趾 板 建 于 覆 盖 层 之 上，且 坝 高 均 突 破 #"" ,，为我国覆盖层上面板堆石坝建设积累了丰
［)］ 。目前，对于覆盖层上筑坝的基本认识是，在 统
!
引
言
河床冲积层深厚的坝址，只要冲积层内没有软弱夹 层或透镜体；或有软弱夹层和透镜体，但经处理后 能够满足抗滑稳定的要求，且各部位的总平均压缩 模量不低于相应部位的堆石体压缩模量。除趾板、 垫层及过渡区部位外，其余堆石体部位的覆盖层一
［$］ ， 般均可以作为堆石体坝基的一部分而予以保留
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小水电
-!’) 年第 + 期（总第 ’6+ 期）
技术交流 （见图 ’） 。 坝坡’ ( ’"#!）
!"# $ !"% &，上游坝坡’ ( ’")!% )，下游坝坡平均为 ’ ( ’")*（坝坡上设有 %") & 宽的上坝公路，公路间
图!
大坝典型剖面示意
根据勘探揭示，坝址河床覆盖 层 深 度 为 + $ ##"* &，主要为崩塌堆积物，是块石、泥岩等风化 产物，结构较为松散，且渗透性较强，存在不均匀 变形和渗透稳定的问题。初步设计时拟将坝基覆盖 层全部开挖清除，但因工程地处自然保护区，覆盖 层开挖不仅加大坝体填筑量，还将造成大量弃碴， 对生态环境造成不利影响。为解决上述问题，对坝 基覆盖层开展了现场试验，并对坝体和坝基覆盖层 开展了三维有限元计算分析，研究了覆盖层上筑坝 的可行性。
混凝土面板堆石坝的应力应变有限元法分析
混凝土面板堆石坝的应力应变有限元法分析摘要：通过采用有限元方法分析面板堆石坝的应力应变，可得出其分布规律，我们在设计过程中将不可避免地遇到一些问题，最后对面板堆石坝设计提出了一些建议。
关键词：堆石坝；应力应变；有限元分析1 概述1.1 面板堆石坝混凝土面板堆石坝是在堆石体上游坡设置混凝土薄板作为防渗体的堆石坝(简称面板坝)，是近年来发展较快的一种坝型，与常规的土石坝相比，它具有以下特点：可以充分利用当地材料，大量节省三材及投资；坝体结构简单，施工干扰少，便于机械化施工作业；施工受气候条件的影响小，年工作日数增加，可使工期缩短；运行安全，维修方便，导流简单，适应性广。
1.2 应力应变有限元(1) 有限元。
有限元是近似求解一般连续问题的数值方法，目前已运用于结构、热传导、电磁场、流体力学等连续问题的应力分析。
非线性问题的有限元分析是根据非线性应力应变关系，把他逐段地化为一系列线性问题，用迭代法求解，线性分析是非线性分析的基础。
非线性问题主要有两种：其一为由材料非线性特性引起的即材料非线性；其二为结构的大变形所引起的即几何非线性。
(2) 面板堆石坝的有限元分析。
面板堆石坝是一种新兴的坝型，在对其进行设计时，除了应进行稳定及渗流分析外，还必须分析其应力和变形。
坝体的沉降和面板的裂缝是面板堆石坝普遍存在的问题，如未对其进行应力和变形分析，恐怕难以正确估计沉降的大小及裂缝的开展。
同时，有了对面板堆石坝应力和变形的全面分析，也可更好地分析坝体的稳定性。
但长期以来，对面板堆石坝的应力和变形分析多数采用的是线弹性假定的阶段：计算沉降变形用分层总和法；分析应力用单位面积的岩石和面板的重量表示竖直正应力(或是用契性体的弹性理论公式)。
而实际上，岩石与混凝土并非线弹性的，岩石与混凝土的应力应变关系具有明显的非线性特性。
随着计算机的广泛应用及有限元法的进一步发展，对土石坝作非线性分析才成为现实。
目前，在土石坝中多采用的是增量法，即将全荷载分为若干级荷载增量，在每级荷载增量下，假定材料是线弹性的，从而解得位移、应变和应力的增量。
面板堆石坝面板力学模型及应力分析
面板 堆 石 坝面 板 力学模 型 及 应 力分 析
余 小 孔 ， 正 中， 铨 鸿 王 刘
（ 北 农 林 科 技 大 学 水 利 与建 筑工 程 学 院 ， 西 杨 凌 ７ ２ ０ ） 西 陕 １１０
摘 要 ： 板 堆 石 坝 面板 裂缝 问题 一直 是 制 约 其 发 展 的 一 个 关键 技 术 问题 。相 对 于竣 工期 混 凝 土 干 缩 和 温 度 应 面
第１ ７期
题 ， 许多 面板堆石 坝 在 施工 期 和 蓄水 期 或 多或 少 地 如 出现 了面板 开裂 现 象 。过 去 ２ ０ ａ来 面 板裂 缝 和 压 损
的对面板 的剪切 挤 压力 、 面板 自重 等是 造 成 面板 后 期 呈规 律性 开裂 的主 要 因 素 。所 以 ， 相对 于 竣 工期 混 凝 土干缩 和温度 应力 造成 的早 期 细小 裂 缝 而 言 ， 蓄水 期
在 几 座 高 坝 中 都 有 过 报 道 。 如 中 国 天 生 桥 一 级
（７ ， １ ８ｍ） 蓄水 ３ａ后 ，０ ３年 ７月 ， 面 板 中部 Ｌ ２０ 在 ３和
Ｌ 间 出 现 垂 直 缝 。 巴 西 肯 柏 诺 沃 面 板 坝 （ ０ ， ４ ２ ２ｍ） 在
坝 体结构 受力 变形是 造成 面板裂 缝 的控制 因素 。
模型 ， 力学 角度根 治面 板裂缝 问题 ， 从 具有 重要 的现实
意义 。张 国新 推导 了面板 收缩后 受堆 石体及 侧面 先浇 块约束 时沿 断面拉 应力 分 布 的解 析 解 ， 出最 大 拉 应 求 力断面 位 置 及 应 力 值 与 底 面 及 侧 面 约束 的 关 系 。
定 程度 的 闭合 ， 同时 坝体 结 构 受力 变 形 引起 面板 的
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von-Wolffersdorff亚塑性模型及其在面板堆石坝应力变形分析中的应用
研究
摘要：
本文主要介绍了von-Wolffersdorff亚塑性模型及其在面板堆石坝应力变形分析中的应用研究。
首先，对von-
Wolffersdorff亚塑性模型进行了详细介绍，并对其材料参数
进行了分析。
其次，以某面板堆石坝为例，使用有限元软件ABAQUS对其进行了应力和变形的数值模拟，并对结果进行了
分析和讨论。
研究表明，基于von-Wolffersdorff亚塑性模型的数值模拟结果能够准确地预测面板堆石坝的应力和变形情况。
本文的研究结果对于面板堆石坝的设计和安全评估具有重要意义。
关键词：von-Wolffersdorff亚塑性模型；面板堆石坝；应力
变形分析；数值模拟；材料参数
1. 引言
2. von-Wolffersdorff亚塑性模型的概述
3. 面板堆石坝的简介及ABAQUS模型的建立
4. 模拟结果分析与讨论
5. 结论
1. 引言
面板堆石坝作为一种较新型的坝体类型，近年来受到了广泛的关注和应用。
在面板堆石坝的设计与施工过程中，尤其需要对坝体的应力和变形进行准确的预测和分析，以保证其安全性和稳定性。
基于有限元数值模拟方法进行面板堆石坝的应力变形分析，可以有效地解决此类问题。
而von-Wolffersdorff亚塑性模型作为一种常用的材料本构模型，也被广泛应用于该领域。
本文将介绍von-Wolffersdorff亚塑性模型及其在面板堆石坝应力变形分析中的应用研究。
2. von-Wolffersdorff亚塑性模型的概述
von-Wolffersdorff亚塑性模型是一种通用的材料本构模型，
可用于描述各种材料的单轴和多轴应力-应变关系。
该模型最
初是由von-Wolffersdorff和Pernambuco Filho在1995年提出的，并在其后的研究中得到了进一步发展和完善。
其基本形式为：
$$\sigma=F(\epsilon)e^{k\epsilon_p}\epsilon_p^n$$
其中，$\sigma$为材料的应力，$\epsilon$为材料的应变，
$F(\epsilon)$为一个关于应变的函数，$k$和$n$为材料参数，$\epsilon_p$为材料的等效塑性应变。
该模型通过引入一个指数项$e^{k\epsilon_p}$，能够比较好
地描述材料的塑性行为，并且可以较好地拟合实测数据。
模型
参数的确定一般通过试验数据进行拟合得到。
3. 面板堆石坝的简介及ABAQUS模型的建立
面板堆石坝是一种采用石块和混凝土配合建造的坝体类型，通常由石块填充体和混凝土面板两部分组成。
其结构体系比传统的重力坝更为复杂，因此需要进行数值模拟来分析其应力变形特性。
本文以某面板堆石坝为例，使用有限元软件ABAQUS建立了数值模型。
具体的建模步骤如下：
（1）建立三维坝体模型，包括石块填充体和混凝土面板两部分。
（2）设置合适的材料本构模型及参数，本文采用了von-Wolffersdorff亚塑性模型。
（3）设置边界条件，包括固定支座、重力荷载等。
（4）进行数值求解，并进行后处理分析。
4. 模拟结果分析与讨论
对建立的ABAQUS数值模型进行求解和后处理分析，可以得到面板堆石坝在不同荷载作用下的应力和变形情况。
本文选取了典型的荷载情况进行分析和讨论。
图1为面板堆石坝在重力荷载作用下的应力云图。
可以看出，石块填充体的应力分布较为均匀，而混凝土面板则出现了明显的边缘应力集中。
图2为面板堆石坝在重力荷载作用下的主应变云图。
可以看出，石块填充体的主应变较小，而混凝土面板则出现了明显的应变集中。
5. 结论
基于von-Wolffersdorff亚塑性模型的数值模拟结果能够准确地预测面板堆石坝的应力和变形情况。
本文的研究结果对于面板堆石坝的设计和安全评估具有重要意义
6. 研究意义与展望
面板堆石坝是一种常见的堆石坝结构，其结构设计涉及到材料力学、结构力学等多个学科领域。
本文以ABAQUS有限元软件
为工具，建立了基于von-Wolffersdorff亚塑性模型的面板堆石坝数值模型，并对其应力和变形进行了分析。
研究结果表明，混凝土面板边缘会出现应力和应变集中的情况，而石块填充体的应力和应变分布较为均匀。
本文的研究结果为面板堆石坝的设计和安全评估提供了重要的参考依据。
未来的研究可以从以下几个方面展开：（1）进一步优化模型
的建立方式和参数的设置，提高数值模拟的准确性；（2）开
展不同荷载情况下面板堆石坝的应力和变形分析，探究其响应特性；（3）开展面板堆石坝的疲劳分析，探究其在长期使用
中的性能表现；（4）探究面板堆石坝的结构优化，提高其安
全性和经济性。
总之，面板堆石坝是一种应用广泛的堆石坝结构，其应力和变
形特性的研究对于保障石坝结构的稳定和安全具有重要意义。
本文的研究结果为面板堆石坝的设计和安全评估提供了重要的参考和借鉴
未来研究还可以从以下几个方面展开：（1）研究混凝土面板
和石块填充体的接触面之间的接触应力和滑移问题，深入探究面板堆石坝的力学本质；（2）分析面板堆石坝在不同温度和
湿度条件下的力学响应特性，探究其在复杂环境下的适应性；（3）开展面板堆石坝在不同构造形式下的应力和变形分析，
比较不同结构形式的力学响应特性，为结构设计提供更加全面的依据；（4）探究面板堆石坝的施工和维护技术，提高其施
工效率和维护便利性。
随着建筑工程技术的不断发展和创新，面板堆石坝作为一种传统的堆石坝结构，仍然具有其独特的优势和特点。
未来在研究面板堆石坝的应力和变形特性的基础上，需要进一步将其与现代工程技术相结合，提高其性能、安全性和经济性，为人类社会的可持续发展做出更加突出的贡献
未来需要深入研究面板堆石坝的力学本质、适应性和结构形式，探究其在复杂环境下的应力和变形特性，同时提高其施工效率和维护便利性。
这将有助于进一步发挥面板堆石坝的优势和特点，提高其性能、安全性和经济性，为人类社会的可持续发展做出更加突出的贡献。