非对称剖面下胶凝砂砾石坝受力特征及破坏模式研究

发布时间：2020-08-18 09:54

【摘要】：为了研究非对称剖面的胶凝砂砾石坝在完建和正常蓄水时不同坡度对坝体的稳定性和安全性的影响,以山西守口堡胶凝砂砾石坝为例,根据模型试验建立应变软化模型,运用有限差分法对胶凝砂砾石坝体的受力特性进行分析,并采用水头超载法对不同剖面坝体的超载能力及破坏模式进行研究,得到不同剖面坝体的超载系数及破坏模式的规律。结果表明:随坝坡变缓,坝体位移和应力差别不大,坝体的超载能力逐渐增大;不同剖面坝体最先出现破坏位置不同,但坝体最终破坏模式相同,均表现为沿坝基面的贯穿性裂缝导致坝体整体失稳。
【图文】：

曲线,胶凝,砂砾石,材料应力

确定粘聚力c、摩擦角φ和ε1之间的关系。2应变软化模型参数的确定根据三轴试验结果，绘制不同的Mohr-Coulomb圆，确定相应的值。本次胶凝砂砾石材料三轴试验采用GCTSSTX-600型动三轴压缩仪进行，试样尺寸为Ф150mm×300mm圆柱体，胶凝材料的配合比为50kg/m3的C42.5水泥和40kg/m3的二级粉煤灰，砂率为0.418，水胶比为1.58，试件养护至规定龄期(28d)后，从养护室取出进行三轴试验。试验中施加围压分别为200、400、600、800kPa，试验过程中采用应变控制，加载速率为0.2%/min。不同围压下应力应变关系曲线如图1所示。图1胶凝砂砾石材料应力—应变曲线根据试验结果，绘制不同的Mohr-Coulomb圆得出应力峰值后强度参数随应变的软化规律。应变由2%增加到9%，对应的凝聚力值由682kPa递减至251kPa;摩擦角由45.3°递减至43°，呈幂函数形式递减。应变达到6%之前，摩擦角数值减小速度较快，达到6%之后，减小速度变缓。

等值线图,坝体,竖向位移,等值线

、1∶0.4、1∶0.5、1∶0.6四种不同坡比的数值模型。坝体材料密度2.35g/cm3，弹性模量5GPa，体积模量11.9GPa、泊松比0.29。坝基长度取3倍坝底宽度，坝基深为1倍坝高;坝基底部采用全约束，两端采用法向约束。4结果分析根据建立的应变软化模型，分析不同坝坡坡比时坝体在完建工况和正常蓄水工况下的位移和应力分布形式。竖向变形向上为正;应力以受拉为正，受压为负。4.1位移分析4.1.1完建工况完建工况下，不同上游坡度坝体的最大竖向位移均为5mm，出现位置在1/3坝高处。坝坡越陡，最大位移越接近上游坝坡(见图2a)，随着坝坡坡比变缓，最大位移位置向下游偏移，当为对称剖面时位移成对称分布(见图2b)。图2坝体竖向位移等值线4.1.2正常蓄水工况正常蓄水工况时，坝体在水压力作用下，竖向最大位移沉降均有所增大，较完建工况沉降值各增加0.5、1、1、1mm，最大沉降位置与完建工况相反偏向下游，亦在1/3坝高处。随上游坡度变缓，位移分布与完建时相同，亦呈对称分布。4.2应力分析完建工况时，坝趾、坝基面中央、坝踵的竖向应力与坡度基本呈线性关系，坝趾和坝基面中央的竖向应力随坡度的减缓逐渐减小，数值分别由－0.2、－0.95MPa减小至－0.3、－1.05MPa，坝踵的竖向应力随坝坡的减缓逐渐增加，由－0.6MPa增加至－0.3MPa。正常蓄水工况时，坝踵和坝趾的竖向应力随坡度的减缓基本保持不变，分别为－0.3MPa和－0.5MPa。坝基面中央应力随坡度的减缓而减小，应力值介于－1～－1.2MPa之间。5破坏模式分析为了研究不同坡比下坝体的超载能力和破坏形式，采用超载法对上游坝坡施加水压力，直到坝体出现完全破坏。根据计算结果，坝体上游坡比不同，坝体的破坏过程有所不同，但最终破坏形式相同，均是坝基面塑性区贯通导?

塑性区,发展过程,坝体

3MPa。正常蓄水工况时，坝踵和坝趾的竖向应力随坡度的减缓基本保持不变，分别为－0.3MPa和－0.5MPa。坝基面中央应力随坡度的减缓而减小，应力值介于－1～－1.2MPa之间。5破坏模式分析为了研究不同坡比下坝体的超载能力和破坏形式，采用超载法对上游坝坡施加水压力，直到坝体出现完全破坏。根据计算结果，坝体上游坡比不同，坝体的破坏过程有所不同，但最终破坏形式相同，均是坝基面塑性区贯通导而致坝体整体失稳破坏。坡比为1∶0.3和1∶0.4时，下游坝趾最先出现塑性区，随着水荷载的增加，上游坝踵出现塑性区，图3塑性区发展过程(坡比1∶0.3)

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