土石坝地震永久变形及抗震稳定性数值分析方法研究

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1、大连理工大学博士学位论文P825ff乓3土石坝地震永久变形及抗震稳定性数值分析方法研究(申请工学博士学位论文)计：学位论文133页表格!Q个插图§2幅学位论文完成日期：2QQ§生8且评阅人：指导教师：塞茂旦熬援教研室主任：銮茂圈熬援院(系)主任：奎塞墨熬援摘要我国西北与西南地区拥有丰富的水利水电资源，同时这些地区的河谷条件、地质条件和环境条件极度复杂，且一般位于高烈度地震活动区。随着我国西北大开发战略计划的实施，越来越多的高坝等大型水利水电工程基础设施正在建设或正处于规划与设计中。土石填筑坝能够有效地就地利用当地筑坝材料，能够适宜于不良地基与河谷条件，

2、具有良好的抗震性能，往往是一种安全经济、具有潜力的坝型。同时在海岸防护与防洪加固中修建了大量的堤坝、河堤与岸堤。但是复杂条件下土石填筑坝的抗震性能与抗震安全性评价一直是设计与建设中的关键技术问题，目前仍尚未得到彻底解决，传统上所采用的拟静力分析方法存在其固有的缺陷，而目前正在发展的有限元动力分析方法尚不成熟而无法在工程实际中推广应用，单凭拟静力抗滑稳定性安全系数无法判断土石填筑坝与堤坝的实际抗震安全度与可靠性，而基于地震永久变形或地震滑移量的堤坝动力稳定性评价方法目前尚不完善而未达到工程实用阶段，因此必须发展理论上合理、工程上实用的土石坝抗震性能分析方

3、法与抗震稳定性评价方法，这不仅对于促进土动力学与岩土地震工程学科的发展具有重要的学术意义，而且对于改进土石填筑坝的抗震设计具有重要的实际应用价值。为此，为了有效地改进这些问题，本文通过理论分析与数值计算等手段对于土石填筑坝地震永久变形分析方法与抗震稳定性评价方法进行了比较深入而系统的探索，主要研究工作包括：1．基于传统的解析型一维剪切条模型，提出了土石坝地震动力响应分析的离散型剪切条模型。首先将坝体沿坝高离散为一系列具有不同剪切刚度与阻尼比等参数的层状体系，建立了各层的振动控制方程及其初边值条件，进而运用数学物理方程方法进行了数学求解，确定了体系的振动

4、特性，并根据振型分解法和Duhamel积分确定了坝体地震动力响应的线性解答。进而采用等价线性化方法考虑坝料的动力非线性性质，通过对线弹性响应的反复迭代计算使得各层土的剪切模量和阻尼比与其相应的剪应变水平相协调，确定了与非线性坝体系统相等效的线性解答，并以此所得到的地震响应作为非线性地震响应的近似解。最后分别以均质土坝和心墙坝作为算例，进行了具体数值计算，并将所得结果与有限元数值解进行了对比分析，论证了所建议分析方法与计算模型的合理性及适用性。由此表明：离散型剪切条法可以作为一种工程实用分析方法，为土石坝抗震性能简化分析、方案论证阶段的多工况对比计算或工

5、程设计初步阶段的抗震优化设计提供一种简便工具。2．将拟静力方法与强度折减弹塑性有限元数值方法相结合对土石坝的抗震稳定性进行了数值分析。其中分别采用下列两种方式考虑地震对坝体的惯性作用效应，(1)依据《水工建筑物抗震设计规范》中所推荐的地震惯性力计算方法，并结合有关土石坝动态分布系数的推荐取值确定沿坝高分布的地震惯性力；f2)直接利用土石坝动力非线性有限元分析所得到的动力响应，基于经验确定作用于坝体各单元结点上的地震惯性力。同时在土石坝拟静力抗震稳定性分析中考虑渗流效应，针对稳定渗流期、水位降落期等不同运行工况以及采用地震总应力强度指标和地震有效应力强度

6、指标等不同计算条件，提出了土石坝抗震稳定性分析中强度折减弹塑性有限元方法的数值实施技术。研究表明，这种方法能够充分发挥有限元方法的优势，有效地克服了传统极限平衡方法的缺陷，能够同时考虑沿坝高非均匀分布的地震惯性力作用与非均匀渗流效应等复杂条件的共同影响，由此可以有效地确定复杂条件下坝坡的极限平衡状态及其稳定安全系数。3．将士石坝动力响应时域分析、按照拟静力方法所确定的潜在滑动体平均地震效应与根据拟静力极限平衡分析所确定的瞬时超载条件相结合，考虑地震循环作用对抗剪强度的弱化降低效应，对Newmark刚塑性体滑块模型进行改进，由此估算地震滑移量，进而根据拟

7、静力稳定安全系数的时程变化和累积地震滑移量对土石坝的抗震稳定性进行综合评价。(1)根据土石坝非线性有限元动力响应分析确定坝坡上某一潜在滑动体的平均地震响应，并以此作为外荷载，利用极限平衡法或强度折减弹塑性有限元数值方法确定坝坡拟静力安全系数的变化时程；(2)将计算所得到的坝体拟静力动态安全系数小于1的时段作为瞬时超载，同时考虑潜在滑动体的水平与竖向地震作用的耦合效应，利用Newmark滑块模型计算由于瞬时超载所产生的地震滑移量；(31考虑地震循环或瞬时作用所导致的孔隙水压力上升及由此所引起的强度弱化或软化的动态过程，对Newmark模型进行改进，建立了

8、土石坝坝坡潜在滑动体地震中累积滑移量估算方法；(4)基于上述方法，针对算例土石坝，通过数值计算