基于abaqus软件覆盖层中塑性混凝土防渗墙应力变形研究

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1、基于ABAQUS软件覆盖层中塑性混凝土防渗墙应力变形研究摘要：塑性混凝土防渗墙在土石坝加固工程中得到了广泛的应用，防渗墙的设计和施工对土石坝的安全运行至关重要。文章基于有限元分析软件ABAQUS,实现Goodman非线性接触模型的二次开发，并应用于土体与结构材料接触面的数值模拟。结合某土石坝工程实例，对软弱覆盖层上塑性混凝土防渗墙进行数值计算，分析防渗墙在蓄水前和蓄水后等不同阶段的工作特性，同时考虑混凝土弹模的改变和泥皮参的变化对防渗墙应力变形的影响，为塑性混凝土防渗墙在土石坝中的应用提供一定参考依据。

2、关键词：土石坝；覆盖层；塑性混凝土；防渗墙；接触模型；应力变形引言在深厚覆盖层上修建土石坝，常采用浇筑混凝土防渗墙、帷幕灌浆等技术，来截断地下渗流通道，保证坝基的抗滑稳定性［1］。大坝坝体在施工和蓄水以后，由于受到大坝自重和水荷载的作用，大坝和坝基会产生较大的变形。混凝土防渗墙作为大坝防渗体，由于其弹性模量与周围土体的巨大差异，变形的不协调性，会使防渗墙承受很高的拉应力和压应力而致使混凝土防渗墙遭受破坏。20世纪60年代国外通过对常规混凝土的改性，掺加一定数量的膨润土或黏土来替代常规混凝土中的大部分水泥

3、，而出现了塑性混凝土材料（其弹模一般小于2000MP,抗压强度低于5MP）,并开始应用于土石坝坝体的防渗处理，引起了国际大坝工程界的高度关注。20世纪80年代中后期，我国开始研究塑性混凝土，并在一些临时围堰中得以应用，同时少量试用于大坝［2］。在防渗墙的施工过程中，墙体混凝土在开挖成槽时，多采用泥浆护壁的方法来保证槽孔稳定，泥浆渗入地层会在槽孔孔壁表面形成泥皮，在混凝土浇筑完成后，泥皮依然会粘结在槽壁上。因此，墙体上下游面与覆盖层土体之间都会有泥浆渗透形成的泥皮［2］o很多学者对土与结构接触面之间的力学

4、特性及其影响因素进行了研究，证实泥皮的存在会对接触面的力学性质产生显著影响。张嘎，张建民进行了粗粒土与结构之间夹有泥皮和无泥皮两种状态的接触面单调和循环剪切试验，表明泥皮对接触面力学特性的影响程度不仅与泥皮本身的特性及其厚度有关，还与构成接触面的结构面材料与粗粒土的特性有关［3］。张治军、饶锡保、王志军等采用大型叠环单剪仪，对砂砾石料与夹泥皮的结构物所形成接触面的力学特性进行了相关试验分析，分析了泥皮厚度对接触面特性的影响并提出了接触面在不同泥皮厚度下所适用的数学模型［4］。杨春鸣、邵生俊、刘鑫通过实验

5、确定了夹有泥皮时不同粗粒土级配与结构接触面的强度和摩擦系数⑸。在塑性混凝土防渗墙数值模拟中往往忽略了泥皮对防渗墙应力变形的影响。本文利用有限元分析软件ABAQUS的用户子程序，实现Goodman模型的二次开发，对在覆盖层中采用塑性混凝土防渗墙防渗的某土石坝进行了数值计算，分析防渗墙在蓄水前和蓄水后等不同阶段的工作状态，同时考虑塑性混凝土弹模的改变和泥皮参的变化对防渗墙应力变形的影响。1计算原理1.1Goodman模型本文利用Goodman接触模型来模拟塑性混凝土防渗墙和周围土体之间的接触作用，能够更好地

6、考虑墙体和土体之间的承载力分配问题。Goodman单元不考虑两个方向的相互耦合，接触面是在受力之间完全吻合，即单元没有厚度只有长度，法向应力只与法向相对位移有关，剪应力只与切向相对位移有关［6］。本构关系为(1)式中：,ks,kn分别为切向刚度系数和法向刚度系数。1.2Goodman模型在ABAQUS中的二次开发ABAQUS是由美国HKS公司开发的非线性有限元分析软件系统。它在材料、几何和接触非线性方面的分析能力居世界领先水平，以高求解效率和高计算精度在工程界和学术界赢得了声誉和信赖，是强大的非线性有限

7、元计算分析工具。ABAQUS为广大的用户提供了大量的单元库和求解模型，用户可以利用这些模型处理大多数的问题。并能利用其提供的用户子程序接口，增加单元类型、本构关系、接触模型等。在ABAQUS所提供的通用平台上有可能实现特定问题的有限元数值仿真计算，以满足用户的个性化分析计算的需求［7］。ABAQUS提供用户自定义接触面摩擦模型的子程序是FRICoABAQUS的提供的面与面接触和Goodman模型相同的是没有厚度只有长度，区别仅在于摩擦模型不同。因此，在FRIC子程序中只要考虑接触面上摩擦接触特性就可以，

8、而把判断接触面是否脱开的任务交给ABAQUS进行。在FRIC程序中，我们只需给出两个方向的ks。克拉夫和邓肯认为剪应力和相对剪切位移之间符合双曲线关系［8］,则ksl、ks2表示为(2)(3)式中KI、K2、Rf、n为非线性指标，由试验确定；？啄为接触面摩擦角。2工程算例2.1工程概况某水库土石坝加固对旧坝体与覆盖层采用塑性混凝土防渗墙、强风化基岩层采用帷幕灌浆的综合防渗措施进行处理。坝顶高程1136.90m,坝高36.7m,坝顶宽度6m。