土石坝动力分析的改进二次加速度积分法

土石坝动力分析常用的是Wilson-? 积分方法,但该方法用于分析高频问题和大步长问题时精度较低。针对该缺点提出一种改进的二次加速度积分法,该算法与一步二次加速度积分法相比,计算精度不变、稳定性要求容易满足,计算用时大大减少。对算法的基本原理、稳定性及精度进行了分析,并给出一个土石坝动力分析的算例,验证了该算法的可行性。与常用的Wilson-? 法、Newmark法和中心差分法进行了数值比较。计算结果表明：该算法在分析高频问题和大步长问题时,计算精度较高。     

土石坝二维地震反应有限元计算的影响因素研究

用有限元法计算土石坝地震反应时,有限元模型的网格剖分、计算边界的处理是计算精度的主要影响因素,也是有限元法分析前处理的主要工作。基于河海大学岩土工程研究所开发的二维有限元土石坝计算程序,分析了网格剖分的形式、网格的合理尺寸、简单边界的计算取值范围对土石坝地震反应的影响。研究结果表明,在土石坝地震反应计算中,网格剖分的整体形式应该水平成层,网格尺寸以最大坝高的7 %～10 %为上限;在有覆盖层的土石坝工程中,简单边界的计算区域应包括覆盖层,并与覆盖层厚度有特定的关系。上述成果可使前处理过程更严谨、更易操作,可作为研究和实际工程计算的参考。     

土石坝拟静力抗震稳定分析的强度折减有限元法

基于拟静力抗震设计概念,提出利用强度折减有限单元法分析土石坝的抗震稳定性,给出了两种确定地震惯性力的方法：（1）依据《水工建筑物抗震设计规范》[1],并结合有关土石坝动态分布系数计算了沿坝高分布的地震惯性力;（2）直接利用土石坝有限元地震动力反应分析得到的单元节点加速度反应,依据建议的方法确定坝体各单元节点的地震惯性力。将上述计算确定的地震惯性力与其他形式的外荷载共同作用到土石坝上,采用强度折减有限元法确定土石坝坝体的拟静力抗震安全系数。对于稳定渗流期,水位降落期等不同工况,或需要考虑振动孔隙水压力作用的饱和无黏性土填筑坝等不同计算条件,给出了使用折减强度有限元法分析坝体抗震稳定性的实现途径和方法。研究表明,有限元法对边界条件、复杂断面条件和材料分区及荷载组合均具有较强的适应能力,因此,使用有限元法分析土石坝抗震稳定性具有显著的优越性。     

超深覆盖层上高沥青心墙坝防渗墙受力状态的精细化分析EI北大核心

混凝土防渗墙是深厚覆盖层地基上修建土石坝的主要坝基防渗结构,是保证大坝安全的关键防线,因此,精细模拟防渗墙的受力状态,对于合理评价深厚覆盖层上土石坝工程具有重要意义。联合增量迭代法和有限元-比例边界有限元耦合方法,实现了土石坝应力变形的跨尺度精细化分析,克服了中点增量法求解局部强非线性问题时精度低的缺陷;发现了防渗墙-心墙接头附近和防渗墙底部土体剪切带的局部大应变特性,阐明了传统方法无法描述土体局部大应变而高估防渗墙应力的机制;提出了设置薄层单元来模拟应变局部效应的高效计算方法,实现了超深覆盖层上高沥青心墙坝防渗墙受力状态的三维精细化分析。本研究发展的有限元-比例边界元-增量迭代法-预设薄层单元的跨尺度非线性分析方法可为深厚覆盖层上土石坝防渗墙的安全评价和设计优化提供理论和技术支持。     

瑞利阻尼系数确定方法对高土石坝地震反应的影响研究

土石坝地震反应分析中,瑞利阻尼系数在很大程度上影响计算的精度。改进了阻尼系数的确定方法,采用不同阻尼系数对土石坝进行了时域动力分析,并与频域计算结果进行了比较。结果表明：当坝高超过100 m后,采用结构基频确定瑞利阻尼系数的方法高估了结构的阻尼,导致结构的动力反应偏小;改进后的方法能较好地反映结构的阻尼特性。通过对拟建的双江口直心墙土石坝进行动力分析,进一步验证了改进阻尼系数确定方法的合理性。     

某均质土坝在地震反应的二维应力与变形分析

大坝安全评价是现代坝体设计中的一个重要环节,是不可忽视的,尤其是对于坝体遭受地震后破坏的影响分析。本文通过从动力计算来判断该坝体的地震反应程度。综合本文所做的研究,该计算数值分析的结果表明：本文提出的土石坝二维非线性有效应力地震反应分析方法是十分便于操作且可行的,能够满足一般土石坝的计算精度要求。为土石坝的抗震设计提供了有效的分析手段,具有良好的工程应用和理论价值。     

地震强度对堆石坝变形的影响

采用基于状态相关的剪胀理论的临界状态砂土模型,以SUMDES2D为有限元平台,对直接建造在基岩上的心墙堆石坝进行了1组抗震性能计算,分析了坝体在不同的地震强度下的动力响应,以研究地震强度对土石坝变形机理的影响。计算结果表明,地震强度越大,地震所引发永久变形和局部变形就越大; 文中除了给出土石坝的总体位移及变形状况外,还提供了堆石坝在某些局部位置的应力路径和应力应变关系,探讨了不同地震强度下坝体破坏的内在机理。局部土单元的动力响应,揭示位于坝体上游坝坡马道附近单元由于密实度小,在应力不大的情况下就达到材料的临界状态,随着地震强度的增加,该部位由稳定逐步过渡到临界状态,而后沿着临界状态线发展,土单元由稳定逐步过渡到流动变形。     

强震作用下土石坝易损性快速精准分析的CIHA方法

强震作用下土石坝极易出现失稳破坏,从而造成人员伤亡和较大的社会经济损失.由于地震的不确定性,强震作用下土石坝失稳分析通常采用失稳概率表示,目前常用方法是地震易损性分析方法,主要有云图法和增量动力分析（incremental dynamic analysis,IDA）两种方法.IDA方法计算结果准确,但计算效率低,云图法计算效率虽高,但计算精度无法得到有效保证.基于上述问题,提出了一种基于云图法和IDA方法的地震易损性快速精准分析方法（CIHA,cloud-IDA hybrid approach）.CIHA方法可兼顾计算效率和计算精度,该方法基于云图法的对数线性回归假设,通过非线性时程分析,并对地震波进行一次放缩来计算相应损伤指标下的地震动强度值,利用地震动强度值得到的均值和方差生成土石坝在各个损伤等级下的易损性曲线.通过对Lower San Fernando土石坝的地震易损性分析,将所提CIHA方法与IDA方法的计算结果进行了对比.结果表明,在计算精度方面,CIHA方法可以获得与IDA方法相近的结果,在计算效率方面,CIHA方法相比IDA方法计算效率有显著提高.      

模拟三维裂纹问题的多尺度扩展有限元法

扩展有限元法模拟裂纹时独立于网格,因此该方法是目前求解裂纹问题最有效的数值方法。为了在计算代价不大的情况,实现大型结构分析中考虑小裂纹或提高裂纹附近精度,在裂纹附近一般采用小尺度单元,其他区域采用大尺度单元。提出了分析三维裂纹问题的多尺度扩展有限元法,在需要的地方采用小尺度单元。基于点插值构造了六面体任意节点单元。所有尺度单元都采用8节点六面体单元,这样六面体任意节点单元可方便有效地连接不同尺度单元。采用互作用积分法计算三维应力强度因子。边裂纹和中心圆裂纹算例分析结果表明,该方法是正确和有效的。     

土石坝地震永久变形参数反演方法研究

提出了一种基于径向基网络的土石坝永久变形参数反演分析模型。该模型充分利用了径向基神经网络的非线性映射能力,只需要进行少量的样本设计,即可反演坝体永久变形参数,可以解决土石坝动力参数反演计算耗时长的问题。同时在对永久变形参数进行灵敏度分析的基础上,建立考虑参数灵敏度的网络训练目标函数,进一步提高了反演精度。将所建立的模型用于紫平铺面板堆石坝地震永久变形参数反演,采用三维有限元法进行静动力分析,并采用改进的沈珠江模型计算坝体地震永久变形。结果表明,反演参数计算的大坝地震永久变形和坝体实测永久变形数值接近,趋势一致,因而所建立的模型能够有效地反演坝体地震永久变形参数,为土石坝的动力参数反演提供了一种简便、有效的方法。     

Back-analysis of soil parameters of the Malutang II concrete face rockfill dam using parallel mutation particle swarm optimization

Deformation control is a central problem in earth-rockfill dam design. The finite element method (FEM) is the primary method used to analyze and predict the deformation of earth-rockfill dams. The parameters of the constitutive model of soil used in earth-rockfill dams determine the FEM analysis results. Using prototype monitoring displacements, the soil parameters of the Malutang II concrete face rockfill dam were back-analyzed using parallel mutation particle swarm optimization. The calculated displacements of the back-analyzed soil parameters are consistent with the prototype monitoring results. The parallel mutation particle swarm optimization has a high optimization rate and can be used in large-scale practical engineering applications. The back-analysis results indicate that the deformation moduli of rockfills in the Malutang II are affected by construction situ.     

线性与非线性强度的土石坝坝坡稳定分析下限法

土石坝的坝坡稳定是影响土石坝安全的重要因素,传统的土石坝坝坡稳定采用的是瑞典圆弧法或者毕肖普法,其计算结果既不是下限解也不是上限解。在Sloan的工作基础上,基于有效应力的方式, 用有限单元思想离散结构物,建立满足平衡条件、间断条件、应力边界条件以及屈服条件的极限分析下限法的非线性规划模型,并且编制了相应的程序,应用到土石坝坝坡稳定性的计算中。考虑了地震荷载和渗流作用,采用迭代算法对土石坝进行非线性强度指标的坝坡稳定计算。最后,以几个典型土坡和具体的土石坝工程为算例,与多种方法的分析结果比较,表明了该方法的可行性。     

土石坝边坡稳定性分析的温控参数折减有限元法

将土石坝渗流的有限元计算和坝坡稳定分析的强度折减有限元法相结合,对土石坝坝坡的稳定性进行分析。考虑渗流作用时,首先采用有限元法计算坝体渗流场,通过迭代计算出稳定渗流的逸出点和浸润线位置,并根据水力梯度计算坝体所受的渗透力;然后将渗流分析所确定的渗流力与土体自重、浮力、地震力等荷载共同施加在坝体上,采用温控参数折减有限元法计算土石坝坝坡的临界失稳状态及其所对应的安全系数。分析结果表明,采用此方法进行土石坝坝坡稳定分析是合理的,且大大提高了计算效率     

三维非恒定渗流自由面边界积分项的高精度数值积分

在三维非恒定渗流有限元计算中,不可避免地需计算自由面上的边界积分项。建议一种高精度数值积分的方法求取自由面边界积分项。其基本思路是,基于8节点空间等参单元,根据压力为零的边界条件确定自由面满足的曲面方程,将自由面边界积分转化为ξη平面上的二重积分;然后再计算自由面与三维等参单元的交点,将交点投影到局部坐标平面ξη上,并根据点与线的相对关系,确定投影点所围成的局部坐标积分区域;再将总积分区域划分成若干个三角形子区域,并利用变步长Simpson方法计算各三角形子区域上的二重积分,从而实现了高精度的自由面边界积分。该方法避免了单元中自由面为平面的假设,可提高计算精度,特别对于单元内自由面变化剧烈情况,更为显著。将该方法应用于砂槽模型和土坝的渗流分析中,计算结果与实际情况较为接近。     

ABAQUS的二次开发及在土石坝静、动力分析中的应用

利用UMAT子程序,在ABAQUS中开发了用于静力分析的邓肯非线性弹性模型和用于动力分析的等效线性模型,丰富了ABAQUS软件的材料库;针对土石坝的分级填土施工、新填土层的位移修正、土石坝蓄水后的浸水湿化效应、坝体材料的液化判别和地震永久变形计算等土石坝分析中的特定问题在ABAQUS中的实现提出了相应的解决方案。算例的计算结果合理可靠,表明经二次开发后ABAQUS可用于土石坝的静、动力分析,从而可利用ABAQUS前后处理方便、计算精度高和模拟复杂问题能力强的优点,为土石坝分析提供一种可供选择的手段。     

深厚覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝筑坝特性研究

在扼要分析防渗土工膜主要力学特性的基础上,结合一在建的深厚覆盖层上复合土工膜防渗堆石坝,对其进行非线性结构分析,着重研究复合土工膜和防渗墙的受力变形特性,并对几种不同规格的复合土工膜进行选型分析,确定适合大坝选用的防渗复合土工膜。此外,对坝体和坝基材料参数变化对复合土工膜和防渗墙受力变形的影响进行了敏感性分析。研究表明,在现有可能不利条件下该坝复合土工膜和防渗墙的应力变形均在合理可控范围之内,大坝结构安全能够满足要求。     

双江口土石坝心墙拱效应分析

对双江口心墙堆石坝的三种设计断面进行三维有限元计算,研究了三种不同材料分区情况下心墙的应力拱效应,分析心墙和坝壳的弹性模量、泊松比对拱效应的影响;定义了一个能表征心墙应力拱效应强弱的参数-拱效应系数。并对不同坝体范围内统计的拱效应系数进行了定量比较。结果表明,三种设计断面的拱效应相近;大坝心墙的应力拱效应在两端坝肩、3/4坝高及心墙底部比较显著。     

GJP-1含节理的三维弹性静力程序

GJP-1程序是针对岩土力学课题而进行的空间非线性有限元分析的第一阶段成果,可用于含节理的三维弹性静力有限元分析。 GJP-1程序采用20节点等参元划分连续介质,而用18节点等参节理单元来模拟非连续面。本程序考虑了集中荷载、重力荷载、均布或不均布的作用方向为任意的面荷载、温度荷载,以及它们的各种组合作用。本程序允许各个单元有不同的材料性质。GJP-1程序具有自动划分网格,自动调整网格,和自动校核数据的功能,并提供波前法和分块三角分解解法供用户灵活选用,以便能在中小型计算机上求解比较大型的工程问题。本文列举了几个有理论解的算例,计算结果表明,本程序的计算精度是令人满意的     

基于土石坝动力特性的坝料动力参数反演

采用现行的室内外试验方法确定的土石料动力参数与实际坝料的动力参数有何差异是人们关心的问题之一。提出了基于土石坝动力特性的坝料动力参数反演方法,并使用该方法反演了一个假想混凝土面板堆石坝的坝料动力参数,证明该方法是可行的,计算精度基本满足实际工程要求。利用紫坪铺面板堆石坝在汶川地震中的余震加速度响应信息,反演了坝料的最大动剪切模量系数K和指数n。结果表明,由室内动三轴试验得到的坝料最大动剪切模量系数K值偏小,建议进一步研究予以修正。     

GJP-1 Three-dimensional Computer Program for Linear Geotechnical Problems

GJP-1 Program is used for three –dimensional elasto-static finite element analysis related to joints, which is the first stage result of three-dimensional nonlinear finite element analysis aimed at subject of rock and soil mechanics. Intact media and discontinuities are modeled by a twenty-node isoparametric finite elements and a sixteen-node isoparametric joint elements respectively, which can be subjected to nodal forces, gravity loads, uniformly or nonuniformly distributed loads acting perpendicularly or obliquely on any faces of elements properties for different elements. GJP-1 has an ability to generate and adjust meshes and to check input data autpmatically, and provides user with frotal solution and subblock triangular resolution in order to solve larger problems with medium or small computer. Several simple problems are solved with GJP-1 for illustrating and testing purposes. Comparison is made between the computational results and the theoretical solutions.