基于ABAQUS的某土石壩應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算分析

鄧春秀 黃鑫

【摘? 要】隨著土體本構(gòu)模型理論進(jìn)步和施工技術(shù)的提高，我國(guó)水利工程事業(yè)的迅速發(fā)展，修建了大量的土石壩，故研究土石壩的變形具有重要的工程意義。論文通過ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，采用Duncan E-B模型模擬某土石壩，得出蓄水期壩體的最小主應(yīng)力為0.555MPa，最大主應(yīng)力為1.636MPa，上游最大水平位移為14.85cm，下游最大水平位移為32.07cm，符合壩體的變形規(guī)律，表明本次計(jì)算分析是合理可行的。

【Abstract】With the improvement of soil constitutive model theory and construction technology， a large number of earth-rock dam have been built with the rapid development of water conservancy engineering in China， so it is of great engineering significance to study the deformation of earth-rock dam. In this paper， ABAQUS was used for secondary development， and Duncan E-B model was used to simulate an earth-rock dam. It was obtained that the minimum principal stress of the dam during the storage period was 0.555MPa， the maximum principal stress was 1.636MPa， the maximum horizontal displacement of the upstream was 14.85cm， and the maximum horizontal displacement of the downstream was 32.07cm， which was in line with the deformation law of the dam， indicating that the calculation analysis was reasonable and feasible.

【關(guān)鍵詞】Duncan E-B;ABAQUS;土石壩;應(yīng)力應(yīng)變

【Keywords】Duncan E-B; ABAQUS; earth-rock dam; stress and strain

【中圖分類號(hào)】TV314? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2020）08-0195-02

1 引言

改革開放以來，我國(guó)土石壩的發(fā)展如雨后春筍，土石壩施工已經(jīng)從壩高200m級(jí)向300m級(jí)跨越。隨著鄧肯張模型、南水雙屈服面模型、沈珠江模型等土體本構(gòu)模型的研究深入和有限元仿真軟件（如ABAQUS、ANSYS、ANDIA）的開發(fā)，為土石壩的建造創(chuàng)造了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)[1]。近些年，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)土石壩的開展了大量的研究：陳平川等[2]研究了壩體優(yōu)化設(shè)計(jì)與滲流分析，劉倬昀等[3]土石壩的壩料分區(qū)優(yōu)化進(jìn)行了研究，趙通陽(yáng)[4]分析了墊層厚度對(duì)混凝土面板的影響，顧淦臣等[5]對(duì)面板堆石壩的堆石本構(gòu)模型與應(yīng)力變形進(jìn)行了研究，丁琳琳[6]對(duì)深埋覆層上土石壩進(jìn)行分析研究，廖敏[7]對(duì)堆石壩的材料分區(qū)進(jìn)行了研究。以上研究大都均是采用有限元軟件對(duì)土石壩的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析，取得了較好的研究成果，具有重要的實(shí)踐意義。本文基于以上研究，采用ABAQUS軟件采用Duncan E-B模型對(duì)某土石壩進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析。

2 理論公式

土石壩壩殼料具有非線性，需要與之適應(yīng)的本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。例如，Duncan E-模型、Duncan E-B模型、清華K-G模型，南水雙曲線模型等均能良好的模擬壩體變形，目前應(yīng)用最多的是Duncan E-B模型[8]，故本文二次開發(fā)Duncan E-B模型，對(duì)某土石壩進(jìn)行模擬。Duncan E-B模型是在E-v模型進(jìn)行了一定的完善，E-v模型中的切線泊松比vt被切線體模量Bt代替并進(jìn)行計(jì)算，表達(dá)式如下：

3 應(yīng)力應(yīng)變分析

本文選取廖敏和趙通陽(yáng)案例中計(jì)算的均質(zhì)堆石壩進(jìn)行模擬，模擬過程中壩體采用分級(jí)填筑。堆石壩的最大壩高100m，壩寬8m，正常水深假設(shè)為90m，上游和下游坡角為30°，堆石料的密度為2000Kg/m3，壩體橫斷面可參考文獻(xiàn)，本文不再贅述，壩體材料計(jì)算參數(shù)如表1所示。

采用生死單元進(jìn)行模擬，壩體分10級(jí)填筑，每級(jí)10m，共11個(gè)分析步，在第11個(gè)分析步加載靜水壓力。分析中采用網(wǎng)格單元類型為C3D8。最后提交作業(yè)，選擇Duncan E-B模型提交計(jì)算，完成壩體蓄水期的有限元模擬，得到壩體的應(yīng)力應(yīng)變圖，計(jì)算結(jié)果與參考文獻(xiàn)的模擬數(shù)據(jù)對(duì)比如表2所示。

由表2的計(jì)算結(jié)果可知，壩體的最大主應(yīng)力、最小主應(yīng)力、水平位移、沉降量與參考文獻(xiàn)計(jì)算結(jié)果接近，表明本次計(jì)算結(jié)果是可行的。出現(xiàn)數(shù)據(jù)的偏差是由abaqus中網(wǎng)格劃分差異、Duncan E-B模型子程序差異所造成的。

3.1 應(yīng)力分析

ABAQUS軟件輸出結(jié)果ODB文件應(yīng)力云圖默認(rèn)拉伸為正，壓縮為負(fù)。最小主應(yīng)力對(duì)應(yīng)巖土工程中最大主應(yīng)力，最大主應(yīng)力對(duì)應(yīng)巖土工程中最小主應(yīng)力。由圖1和圖2可知，壩體最小主應(yīng)力為0.555MPa，壩體最大主應(yīng)力為1.636MPa位于壩體的底部，整個(gè)壩體應(yīng)力等直線云圖分布較規(guī)律，離壩底距離越遠(yuǎn)，應(yīng)力值越小，到達(dá)壩頂、下游壩坡接近于0。在壩體上游由于靜水壓力的作用，使應(yīng)力等直線向上抬，相對(duì)施工期壓應(yīng)力增大，符合實(shí)際工程中的變化規(guī)律。

3.2 應(yīng)變分析

由圖3可知，壩體的最大沉降量為91.66cm，占?jí)胃叩?.966%，符合壩體變形規(guī)律，是合理的。沉降量位置在于壩體的1/2～2/3處，是由于壩體分級(jí)填筑，邊填筑邊沉降的緣故。由圖4可知，壩體上游水平位移為14.85cm，下游水平位移為32.07cm，位于壩高的1/2處。下游水平位移大于上游，是由于在靜水壓力的作用下，整個(gè)壩體有向右移動(dòng)的趨勢(shì)。

4 工程管理

土石壩施工中要嚴(yán)格控制施工流程、碾壓材料參數(shù)及建設(shè)管理，側(cè)重于事前控制、事中控制、事后控制。雖然理論研究和施工技術(shù)上土石壩壩體穩(wěn)定無懈可擊，實(shí)際工程中土石壩失事最多。一是要加強(qiáng)工程建設(shè)管理，項(xiàng)目法人要督促參加各方切實(shí)履行職能職責(zé);二是規(guī)范施工、合理施工，施工過程中嚴(yán)格控制壩體的壓實(shí)度、含水率等指標(biāo)，規(guī)范設(shè)計(jì)變更，提升主體工程建設(shè)質(zhì)量;三是加強(qiáng)質(zhì)量監(jiān)督，督促質(zhì)量制度、質(zhì)量體系落實(shí)到位，并嚴(yán)格按照施工單位自檢、監(jiān)理單位平行檢測(cè)、第三方檢測(cè)，確保工程質(zhì)量安全。

5 結(jié)論

本文通過ABAQUS軟件進(jìn)行二次開發(fā)Duncan E-B模型子程序計(jì)算某土石壩的應(yīng)力應(yīng)變分析得出以下結(jié)論：①采用ABAQUS軟件二次開發(fā)Duncan E-B模型模擬壩體應(yīng)力應(yīng)變與參考文獻(xiàn)相符合，是可行的;②蓄水期壩體的最小主應(yīng)力為0.555MPa，壩體最大主應(yīng)力為1.636MPa，壩體上游水平位移為14.85cm，下游水平位移為32.07cm，符合壩體的變形規(guī)律。

【參考文獻(xiàn)】

【1】田叢秋.水利工程建設(shè)中土石壩技術(shù)的應(yīng)用[J].民營(yíng)科技，2014（2）：127.

【2】陳平川，荀小偉.粘土心墻土石壩壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及滲流穩(wěn)定分析[J].小水電，2020（1）：34-36.

【3】劉倬昀.土石壩壩料分區(qū)優(yōu)化研究[J].水力發(fā)電，2014，40（12）：35-37.

【4】趙通陽(yáng).基于ABAQUS的混凝土面板堆石壩三維應(yīng)力應(yīng)變分析[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2010.

【5】顧淦臣，黃金明.混凝土面板堆石壩的堆石本構(gòu)模型與應(yīng)力變形分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，1991（1）：12-14.

【6】丁琳琳.基于ABAQUS的深覆蓋層面板堆石壩動(dòng)力反應(yīng)分析[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2014.

【7】廖敏.混凝土面板堆石壩壩體材料分區(qū)影響研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)大學(xué)，2017.

【8】費(fèi)康.ABAQUS巖土工程實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2017.