土石坝坝下涵洞三维有限元分析

摘要

涵洞作为国际上公认的生命线工程，破坏后会造成严重的损失。在水利工程中，占有相当数量的坝下涵洞存在着开裂、渗漏等现象。这说明现阶段关于涵洞受力及沉降的计算仍有不足，有必要对如何准确计算涵洞垂直土压力和合理控制涵洞不均匀沉降等关键问题做进一步的研究和探讨。
　　 本文针对造成坝下涵洞开裂的两个主要原因，利用有限元方法对坝下涵洞施工过程进行了三维有限元模拟分析，所做的研究工作和得到的主要结论包括以下几个方面：
　　 1)收集与涵洞土压力及沉降有关的大量资料，整理并研究分析各种土压力计算方法的优缺点，通过与实测数据对比，找出较符合实际的计算方法；
　　 2)针对涵洞受力及沉降设计阶段的不足和困境，提出采用三维有限元分析方法，并同时考虑涵洞分缝的工程实际，在模型中设置涵洞间的摩擦接触，这样就可以很好地反映出涵洞接缝处的不均匀沉降。结果表明：在涵洞问分缝，对涵洞整体的沉降量没有太大影响，但对涵洞的受力是有利的；
　　 3)利用ABAQUS软件，在平衡初始地应力的基础上，对坝下涵洞进行三维有限元分析。结果表明，涵洞的受力及沉降与坝体横断面有关系，一般均在最大坝高处达到最大值；涵洞顶部所受垂直土压力呈“U”形分布，且距涵洞顶部中心线越近，所受的土压力值越小；
　　 4)通过改变材料参数，研究各因素对土压力及沉降的影响。结果表明：土压力系数的均值随着填土高度H、填土弹性模量E的增加而减小，随着填土内摩擦角φ和地基土弹性模量Ed的增加而增加，填土粘聚力c的变化对其影响不大；沉降值随着填土高度H的增加而增加，随着填土弹性模量E和地基土弹性模量Ed的增加而减小，填土内摩擦角φ和粘聚力c的变化对其没有太大影响。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 存在问题

1.4 本文研究内容

2 涵洞土压力基本理论分析

2.1 涵洞土压力计算的基本方法

2.1.1 以马斯顿(Marston-Spangler)理论为代表的散体极限平衡法

2.1.2 假定垂直土压力仅与覆士厚度成线性关系的土柱压力法

2.1.3 土柱自重乘以经验系数的土压力集中系数法

2.1.4 以顾安全土压力计算公式为代表的弹性理论解法

2.1.5 假定涵洞上侧填十中形成“卸荷拱”的卸荷拱法

2.1.6 有限元数值模拟分析方法

2.2 各种土压力方法比较分析

3 涵洞数值模拟分析基础

3.1 ABAQUS简介

3.1.1 ABAQUS总体介绍

3.1.2 ABAQUS主要模块简介

3.1.3 ABAQUS一般问题的分析步骤

3.2 涵洞数值模拟

3.2.1 材料模型选取

3.2.2 接触问题的分析

3.2.3 初始地应力平衡问题

3.3.4 施工过程的模拟

4 考虑涵洞分缝处理三维有限元分析

4.1 计算模型确定和参数选取

4.1.1 几何模型的建立

4.1.2 荷载及边界条件

4.1.3 网格划分及单元选取

4.1.4 材料模型及参数

4.2 考虑涵洞分缝对涵洞受力及沉降的影响

4.3 计算结果分析

4.3.1 垂直土压力计算结果及分析

4.3.2 竖向位移计算结果及分析

5 土压力及沉降影响因素分析

5.1 数值模拟方案

5.2 各因素对涵洞垂直土压力的影响

5.2.1 填土高度对垂直土压力的影响

5.2.2 填土性状对垂直土压力的影响

5.2.3 地基土弹性模量对垂直土压力的影响

5.3 各因素对涵洞沉降的影响

5.3.1 填土高度对涵洞沉降的影响

5.3.2 填土性状对涵洞沉降的影响

5.3.3 地基土弹性模量对涵洞沉降的影响

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

个人简历在校期间发表的学术论文与研究成果

致谢