高心墙堆石坝流固耦合弹塑性地震动力响应分析

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1、高心墙堆石坝流固耦合弹塑性地震动力响应分析(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：土木工程研究生：董威信指导教师：于玉贞教授二○一五年五月Elasto-PlasticFluid-SolidCouplingAnalysisofSeismicResponseofHighCore-WallRockfillDamDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinCivil

2、EngineeringbyDongWeixinDissertationSupervisor:ProfessorYuYuzhenApril,2015摘要摘要考虑流固耦合的弹塑性地震动力响应有限元分析是高土石坝研究领域的难点和热点课题之一。本文从本构模型、数值模拟和工程应用等方面对该课题开展研究工作，综合粗粒土弹塑性本构模型和数值算法等方面的成果，开发了一套高效实用的高心墙堆石坝地震动力响应分析方法和程序，并应用于强震和复杂条件下的典型实际工程。论文的主要工作和成果如下：（1）建立了可以统一描述粗粒土静动力特性的弹塑性本构模型。基于Pastor-Zienki

3、ewiczIII广义塑性模型，引入临界状态理论和状态参数对剪胀方程、塑性模量等进行改进，可以统一描述不同状态下土体的静动力特性。采用丰浦砂和糯扎渡主堆石料的排水/不排水、单调/循环三轴试验结果，对建立的本构模型进行了验证，结果表明模型可以很好地反映粗粒土的静动力特性。（2）发展了流固耦合弹塑性动力分析有限元程序，可进行复杂条件下土工结构物的地震动力响应分析。引入了所建立的粗粒土静动力统一弹塑性本构模型，并采用著名的离心机振动台试验VELACS项目的试验数据对开发的程序进行了验证。结果表明，该程序可以较好地模拟试验结果，初步说明该程序可以有效地进行流固耦合

4、地震动力响应分析。（3）开发了有限元快速求解算法，大幅提高了计算效率，可实现土石坝大规模三维弹塑性有限元分析。引入三维过渡等参单元提高了计算精度，改善了程序的计算稳定性。结合土石坝有限元计算特点，研究了多种快速求解算法，大幅降低存储需求和计算时间，使得程序可以有效地应用于大规模三维动力分析。（4）分析了典型高心墙堆石坝强震复杂条件下的动力响应，验证了所建立的本构模型和开发的有限元程序的实用性和有效性。对于实际复杂工程的大规模计算分析，内存需求和计算时间大幅降低，可在微机上用于自由度达30余万的流固耦合弹塑性地震动力响应分析。通过和等价黏弹性模型-等效线性

5、化方法的计算结果进行对比，说明本文开发的程序和算法可以更合理地反映心墙堆石坝的地震动力响应特性。关键词：粗粒土；快速求解算法；高心墙堆石坝；有限元；流固耦合IAbstractAbstractElasto-plasticanalysisoftheseismicresponseofhighcore-wallrockfilldamsconsideringfluid-solidcouplingisoneofthemostchallengingandhottopicsinthefieldofseismicassessmentofsoilstructures.Con

6、stitutivemodelsofsoils,numericalsimulationandengineeringapplicationabouthighcore-wallrockfilldamswerestudiedinthisdissertation.Basedonanelasto-plasticmodelproposedforgranularsoilsandnumericalalgorithma,asetofefficientandpracticalanalysismethodsandafiniteelementcodeforseismicanaly

7、sisofhighcore-wallrockfilldamswasdeveloped.Themainnovelachievementsobtainedinthedissertationareasfollows:1.Anelasto-plasticmodelwhichcandescribesthestaticanddynamicbehaviorofgranularsoilswasdevelopedbasedonthePastor-ZienkiewiczIIImodel.Criticalstatetheoryandstateparameterwereintr

8、oducedintothemodeltomodifythedilatatione