基于应力-渗流-损伤耦合模型的重力坝三维水力劈裂数值模拟
发布时间：2021-03-29 00:10
裂缝的高压水力劈裂是混凝土高坝安全评估的重要部分。目前,重力坝水力劈裂的数值模拟绝大多数是二维的,对于坝体上游面经常出现的竖直裂缝的三维水力劈裂的数值研究几乎为零。本文提出一种应力-渗流-损伤耦合模型,用于混凝土重力坝三维水力劈裂的模拟。采用该耦合模型,模拟了一个内置裂缝的圆柱体试件的水力劈裂,数值结果与试验结果吻合很好,验证了所提耦合模型的合理性。在此基础上,采用该耦合模型,进行了国内某混凝土重力坝三维水力劈裂的模拟,数值模拟得到的损伤区域与设计院根据安全监测实测结果得到的范围基本吻合。研究结果表明:本文耦合模型可以方便、有效地进行重力坝三维水力劈裂的模拟,评估表面裂缝的危险程度。
【文章来源】：中国水利水电科学研究院学报. 2020,18(01)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
高压水劈裂试验原理（单位：mm)
断裂能GF的含义如图1所示，为应力-裂缝宽度曲线与坐标轴围成的面积，可表达为式（2）；单位开裂宽度的断裂能gf的含义如图2中阴影所示，为应力-应变曲线下降段与ε=ε0、横坐标轴ε围成的面积，可表达为式（3）。图2 单位开裂宽度的断裂能gf
有效应力概念应用于被单相流体浸润的岩石、混凝土材料，可以看成太沙基有效应力原理应用于土体的推广。基于有效应力原理，Biot首次引进一个标量参数，即Biot系数，反映孔隙水压对有效应力的影响（Biot,1941,1955,1977)[27-29]。在文献[28]中，孔隙率bi被定义为有效孔隙面积与横截面Ai的比值。有效孔隙面积则被定义为在垂直于横截面Ai的方向，单位长度所有微小孔隙面积的总和。孔隙率bi同样可以代表孔隙体积（Vp）与代表体体积（Vb）的比值。在混凝土坝弹性分析中，通常假定含有孔隙的大坝混凝土是均质、各向同性的，因而经常采用bi的一个各向同性值bx=by=bz=b0进行混凝土坝的弹性分析。对于土体的应力计算，通常取b0≈1。然而，对于弹性范围内混凝土的应力计算，取b0≈1则是不合理的，因为混凝土即使在即将破坏的状态下，b0仍小于1。文中应力符号以拉应力为正。饱和孔隙介质的应力分解如图3所示，作用在单元表面的总应力可以分解成两部分：与内部水压力p相互平衡的外力bp和有效应力，单元的平均变形只与有效应力有关，可表示为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑流固耦合效应的重力坝水力劈裂模拟[J]. 王克峰,章青,夏晓舟. 应用数学和力学. 2015(09)
[2]Simulation of hydraulic fracture utilizing numerical manifold method[J]. ZHANG GuoXin,LI Xu,LI HaiFeng. Science China（Technological Sciences）. 2015(09)
[3]混凝土坝全过程多场耦合仿真分析[J]. 张国新,沙莎. 水利水电技术. 2015(06)
[4]基于损伤理论的重力坝坝基岩体渐进破坏数值模拟研究[J]. 任青文,刘爽,陈俊鹏,周晨露. 水利学报. 2014(01)
[5]SAPTIS:结构多场仿真与非线性分析软件开发及应用（之二）[J]. 周秋景,张国新. 水利水电技术. 2013(09)
[6]重力坝高压水劈裂模拟方法与特高重力坝设计准则初步探讨[J]. 贾金生,汪洋,冯炜,常凊睿. 水利学报. 2013(02)
[7]SAPTIS:结构多场仿真与非线性分析软件开发及应用（之一）[J]. 张国新. 水利水电技术. 2013(01)
[8]重力坝水力劈裂分析的扩展有限元法[J]. 董玉文,任青文. 水利学报. 2011(11)
[9]高孔隙水压作用下混凝土渗流-损伤耦合模型[J]. 林凯生,李宗利. 水利水运工程学报. 2010(02)
[10]玉石水库6号坝段劈头裂缝原因分析[J]. 曹刚,伞小雨,王宇. 水利建设与管理. 2008(05)
本文编号：3106507
【文章来源】：中国水利水电科学研究院学报. 2020,18(01)北大核心
【文章页数】：11 页
【部分图文】：
高压水劈裂试验原理（单位：mm)
断裂能GF的含义如图1所示，为应力-裂缝宽度曲线与坐标轴围成的面积，可表达为式（2）；单位开裂宽度的断裂能gf的含义如图2中阴影所示，为应力-应变曲线下降段与ε=ε0、横坐标轴ε围成的面积，可表达为式（3）。图2 单位开裂宽度的断裂能gf
有效应力概念应用于被单相流体浸润的岩石、混凝土材料，可以看成太沙基有效应力原理应用于土体的推广。基于有效应力原理，Biot首次引进一个标量参数，即Biot系数，反映孔隙水压对有效应力的影响（Biot,1941,1955,1977)[27-29]。在文献[28]中，孔隙率bi被定义为有效孔隙面积与横截面Ai的比值。有效孔隙面积则被定义为在垂直于横截面Ai的方向，单位长度所有微小孔隙面积的总和。孔隙率bi同样可以代表孔隙体积（Vp）与代表体体积（Vb）的比值。在混凝土坝弹性分析中，通常假定含有孔隙的大坝混凝土是均质、各向同性的，因而经常采用bi的一个各向同性值bx=by=bz=b0进行混凝土坝的弹性分析。对于土体的应力计算，通常取b0≈1。然而，对于弹性范围内混凝土的应力计算，取b0≈1则是不合理的，因为混凝土即使在即将破坏的状态下，b0仍小于1。文中应力符号以拉应力为正。饱和孔隙介质的应力分解如图3所示，作用在单元表面的总应力可以分解成两部分：与内部水压力p相互平衡的外力bp和有效应力，单元的平均变形只与有效应力有关，可表示为：
【参考文献】：
期刊论文
[1]考虑流固耦合效应的重力坝水力劈裂模拟[J]. 王克峰,章青,夏晓舟. 应用数学和力学. 2015(09)
[2]Simulation of hydraulic fracture utilizing numerical manifold method[J]. ZHANG GuoXin,LI Xu,LI HaiFeng. Science China（Technological Sciences）. 2015(09)
[3]混凝土坝全过程多场耦合仿真分析[J]. 张国新,沙莎. 水利水电技术. 2015(06)
[4]基于损伤理论的重力坝坝基岩体渐进破坏数值模拟研究[J]. 任青文,刘爽,陈俊鹏,周晨露. 水利学报. 2014(01)
[5]SAPTIS:结构多场仿真与非线性分析软件开发及应用（之二）[J]. 周秋景,张国新. 水利水电技术. 2013(09)
[6]重力坝高压水劈裂模拟方法与特高重力坝设计准则初步探讨[J]. 贾金生,汪洋,冯炜,常凊睿. 水利学报. 2013(02)
[7]SAPTIS:结构多场仿真与非线性分析软件开发及应用（之一）[J]. 张国新. 水利水电技术. 2013(01)
[8]重力坝水力劈裂分析的扩展有限元法[J]. 董玉文,任青文. 水利学报. 2011(11)
[9]高孔隙水压作用下混凝土渗流-损伤耦合模型[J]. 林凯生,李宗利. 水利水运工程学报. 2010(02)
[10]玉石水库6号坝段劈头裂缝原因分析[J]. 曹刚,伞小雨,王宇. 水利建设与管理. 2008(05)
本文编号：3106507
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