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针对碾压混凝土坝施工层面对大坝变形产生显著影响的问题,深入研究了施工层面的变化性质及规律,提出了层面不同阶段变形的模拟方法,建立了施工层面有厚度和无厚度分析模型,提出的模型能反映层面的弹性变形、衰减蠕变、不可逆变形以及加速蠕变等变形状态实例分析表明:所提出的碾压混凝土坝施工层面有厚度和无厚度分析模型能较客观地模拟大坝的结构变化形态,尤其是施工层面有厚度分析模型较完整地模拟了层面的渐变规律,其计算结果与原位监测成果吻合较好同时,提出的方法和建立的分析模型可推广应用于常规混凝土坝,特别是坝基内断层和夹层等变形
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应用数学和力学,第
28
卷第
1
期
2007
年
1
月
15
日出版
Ap
pied
MJt
hermtics
and
临
charics
Vol
.2
8
,比
.1
Jan
.15
;2!∞
7
文章编号
:1ω
。一
0887(2007)OU07
止。
7
⑥应用数学和力学编委会
JSSN
100
比
0887
号|
碾压混凝土坝施工层面变形分析模型来
顾冲时,
黄光明,
赖道平
(河海大学水利水电工程学院,南京
210098)
(谢和平推荐)
摘要:
针对碾压氓凝土坝施工层面对大坝变形产生显著影响的问题,深入研究了施工层面的变
化性质及规律,提出了层面不同阶段变形的模拟方法,建立了施工层面有厚度和无厚度分析模型,
提出的模型能反映层面的弹性变形、衰减蠕变、不可逆变形以及加速蠕变等变形状态.实例分析
表明:所提出的碾压氓凝土坝施工层面有厚度和无厚度分析模型能较客观地模拟大坝的结构变化
形态,尤其是施工层面有厚度分析模型较完整地模拟了层面的渐变规律,其计算结果与原位监测
成果吻合较好.同时,提出的方法和建立的分析模型可推广应用于常规氓凝土坝,特别是坝基内
断层和夹层等变形规律的分析.
关键词:
碾压?昆凝土坝;
施工层面;
变形;
分析模型
中图分类号
TV642.3
文献标识码
A
碾压混凝土筑坝技术是最近几十年发展起来的一门技术,由于施工快,因而受到广泛的应
用.但由于在筑坝工程中层层碾压产生了众多的水平施工层面这些层面与本体相比其结构
和渗流特性有较大的差异施工层面成了整个大坝的薄弱环节甚至成了大坝的安全隐患.目
前,对于水平施工层面的认识有两种观点,一种观点认为层面为无厚度的结构面
[U]
另一种认
为层面为一个渐变过渡旦旦上述两种观点虽然对水平施工层面的认识有一定的差异,但总
体上层面是整个大坝的薄弱部位的认识是一致的不同之处是在模拟层面的分析模型及相关
参数的取用上有所不同.此外在以往碾压混凝土结构分析模型中重点研究了大坝的弹性变
形和蠕变的衰减及卸载后的变形滞后回复变化而很少研究不可恢复的蠕变变形以及屈服以
后的蠕变加速增大过程.对于碾压混凝土坝,在水压等荷载作用,由监测资料分析表明,即使
在较小的荷载作用下,也会产生不可逆的时效变形.因此,弄清碾压混凝土坝的施工层面的变
化性质,对于不可逆变化规律的认识至关重要,也是评价大坝安全的重要依据.但由于碾压混
凝土坝结构的复杂性如何较为客观地模拟其变形性态尚未找到比较理想的方法.本文从基
本的力学分析模型人于以大坝变形为例将碾压混凝土坝的施工层面分成有厚度和无厚度两
来收稿日期:却
0
丘
OU3
;修订日期
2
∞
6
...1队
11
基金项目:
国家自然科学基氢重点)资助项目
(50539010)
;国家自然科学基金资助项目
(50579010)
;
973
计划资助项目
(2
∞且剧
12707)
;水利部
'948"
资助项目(口
2ω612)
作者简介:
顾冲时
1962-)
,男,江苏启东人,教授,博士,博士生导
9lff(
联系人
.E_mril
:也llB
afe
@理
na
.
com) •
70
顾冲时
黄光明
赖道平
71
种情况,深入研究了不同情况下碾压混凝土坝变形分析模型的建模原理,提出并建立了相应的
分析模型.
1
有厚度碾压混凝土坝水平施工层面的变形分析模型
图
1
为碾压混凝土层的结构面图,碾压混凝土层由本体和水平施工层面(以下简称层面
组成,并假定碾压混凝土层的厚度为
B
,
层面厚度为
b
.
1
.1
水平施工层面的法向变形分析模型
由实验及原位监测资料分析表明,在荷载作
用下,层面的法向变形过程为:首先产生瞬时的弹
性变形,然后出现蠕变速率减小的蠕变变形,最后
变形趋于一个稳定值.如果在加载一段时间后卸
载,已经产生的法向变形有一部分可恢复,而另一
部分成了不可逆的变形
[5_7J
由上面的分析可知,
碾压混凝土的水平施工层面的变形分析模型中应
该包括反映瞬时的弹性变形、反映衰减蠕变及卸
图
1
碾压混凝土层的结构简图
载后变形的滞后回复以及能反映不可恢复的蠕变变形等方面下面分析各部分的组成
1)
瞬时弹性变形
对于弹性变形,其应力与应变关系符合虎克定律,即
σ
EMB
,
(1)
式中
:σ
为应力
,
B
为应变
,
EM
为瞬时弹
d
性模量;
2)
不可恢复的蠕变变形
不可恢复的蠕变变形用一个粘滞体来反映其性质符合牛顿定律即应力与应变速率之间
关系为
σ=η
币
(2)
式中
:1:
应变速率
;ηM
为粘滞系数;
对于武
2)
来说,
ηM
是反映不可恢复的蠕变变形的特征量,分析表明,在一定的荷载作用
下,法向变形逐渐趋于稳定,因此
ηM
能反映衰减蠕变的特性,本文采用一个粘滞系数为时间函
数的非线性量,即
η Jt)
= ηMO(
at
+
cl
叫
l+t))
,
(3)
式中
:ηMO
为
t
=
0
时粘滞体的粘性系数
;α
♂为与材料流变特
d
性相关的常数;
3)
衰减的蠕变变形
用
I
金
1
世
n
体反映衰减蠕变和卸载后变形的滞后回复变形由此体现衰减的蠕变变形.其
中
I
<el
vin
体由一个弹性体和一个粘滞体并联组成,即
σ
EKB
+
η
K
I:
,
(4)
由式的可得到在应力
σ
作用下的
t
时刻蠕变表达式为
B(t)
=
仨
1
-
e -
Erfl
7
1K)
,
(5)
-"'K
同时由式的可得到
σ
作用
1
后卸载的回复过程的应力与时间的关系,即
B(t)
fI-(
e-
E
!'!(
'fJ
K-l)e-
E
!'!I
'fJ
K;
(6)
-"'K
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