基于應(yīng)力-滲流-損傷耦合模型的重力壩三維水力劈裂數(shù)值模擬
發(fā)布時間：2021-03-29 00:10
裂縫的高壓水力劈裂是混凝土高壩安全評估的重要部分。目前,重力壩水力劈裂的數(shù)值模擬絕大多數(shù)是二維的,對于壩體上游面經(jīng)常出現(xiàn)的豎直裂縫的三維水力劈裂的數(shù)值研究幾乎為零。本文提出一種應(yīng)力-滲流-損傷耦合模型,用于混凝土重力壩三維水力劈裂的模擬。采用該耦合模型,模擬了一個內(nèi)置裂縫的圓柱體試件的水力劈裂,數(shù)值結(jié)果與試驗結(jié)果吻合很好,驗證了所提耦合模型的合理性。在此基礎(chǔ)上,采用該耦合模型,進行了國內(nèi)某混凝土重力壩三維水力劈裂的模擬,數(shù)值模擬得到的損傷區(qū)域與設(shè)計院根據(jù)安全監(jiān)測實測結(jié)果得到的范圍基本吻合。研究結(jié)果表明:本文耦合模型可以方便、有效地進行重力壩三維水力劈裂的模擬,評估表面裂縫的危險程度。
【文章來源】：中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報. 2020,18(01)北大核心
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
高壓水劈裂試驗原理（單位：mm)
斷裂能GF的含義如圖1所示，為應(yīng)力-裂縫寬度曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，可表達為式（2）；單位開裂寬度的斷裂能gf的含義如圖2中陰影所示，為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段與ε=ε0、橫坐標(biāo)軸ε圍成的面積，可表達為式（3）。圖2 單位開裂寬度的斷裂能gf
有效應(yīng)力概念應(yīng)用于被單相流體浸潤的巖石、混凝土材料，可以看成太沙基有效應(yīng)力原理應(yīng)用于土體的推廣。基于有效應(yīng)力原理，Biot首次引進一個標(biāo)量參數(shù)，即Biot系數(shù)，反映孔隙水壓對有效應(yīng)力的影響（Biot,1941,1955,1977)[27-29]。在文獻[28]中，孔隙率bi被定義為有效孔隙面積與橫截面Ai的比值。有效孔隙面積則被定義為在垂直于橫截面Ai的方向，單位長度所有微小孔隙面積的總和�？紫堵蔮i同樣可以代表孔隙體積（Vp）與代表體體積（Vb）的比值。在混凝土壩彈性分析中，通常假定含有孔隙的大壩混凝土是均質(zhì)、各向同性的，因而經(jīng)常采用bi的一個各向同性值bx=by=bz=b0進行混凝土壩的彈性分析。對于土體的應(yīng)力計算，通常取b0≈1。然而，對于彈性范圍內(nèi)混凝土的應(yīng)力計算，取b0≈1則是不合理的，因為混凝土即使在即將破壞的狀態(tài)下，b0仍小于1。文中應(yīng)力符號以拉應(yīng)力為正。飽和孔隙介質(zhì)的應(yīng)力分解如圖3所示，作用在單元表面的總應(yīng)力可以分解成兩部分：與內(nèi)部水壓力p相互平衡的外力bp和有效應(yīng)力，單元的平均變形只與有效應(yīng)力有關(guān)，可表示為：
【參考文獻】：
期刊論文
[1]考慮流固耦合效應(yīng)的重力壩水力劈裂模擬[J]. 王克峰,章青,夏曉舟. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué). 2015(09)
[2]Simulation of hydraulic fracture utilizing numerical manifold method[J]. ZHANG GuoXin,LI Xu,LI HaiFeng. Science China（Technological Sciences）. 2015(09)
[3]混凝土壩全過程多場耦合仿真分析[J]. 張國新,沙莎. 水利水電技術(shù). 2015(06)
[4]基于損傷理論的重力壩壩基巖體漸進破壞數(shù)值模擬研究[J]. 任青文,劉爽,陳俊鵬,周晨露. 水利學(xué)報. 2014(01)
[5]SAPTIS:結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性分析軟件開發(fā)及應(yīng)用（之二）[J]. 周秋景,張國新. 水利水電技術(shù). 2013(09)
[6]重力壩高壓水劈裂模擬方法與特高重力壩設(shè)計準(zhǔn)則初步探討[J]. 賈金生,汪洋,馮煒,常凊睿. 水利學(xué)報. 2013(02)
[7]SAPTIS:結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性分析軟件開發(fā)及應(yīng)用（之一）[J]. 張國新. 水利水電技術(shù). 2013(01)
[8]重力壩水力劈裂分析的擴展有限元法[J]. 董玉文,任青文. 水利學(xué)報. 2011(11)
[9]高孔隙水壓作用下混凝土滲流-損傷耦合模型[J]. 林凱生,李宗利. 水利水運工程學(xué)報. 2010(02)
[10]玉石水庫6號壩段劈頭裂縫原因分析[J]. 曹剛,傘小雨,王宇. 水利建設(shè)與管理. 2008(05)
本文編號：3106507
【文章來源】：中國水利水電科學(xué)研究院學(xué)報. 2020,18(01)北大核心
【文章頁數(shù)】：11 頁
【部分圖文】：
高壓水劈裂試驗原理（單位：mm)
斷裂能GF的含義如圖1所示，為應(yīng)力-裂縫寬度曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積，可表達為式（2）；單位開裂寬度的斷裂能gf的含義如圖2中陰影所示，為應(yīng)力-應(yīng)變曲線下降段與ε=ε0、橫坐標(biāo)軸ε圍成的面積，可表達為式（3）。圖2 單位開裂寬度的斷裂能gf
有效應(yīng)力概念應(yīng)用于被單相流體浸潤的巖石、混凝土材料，可以看成太沙基有效應(yīng)力原理應(yīng)用于土體的推廣。基于有效應(yīng)力原理，Biot首次引進一個標(biāo)量參數(shù)，即Biot系數(shù)，反映孔隙水壓對有效應(yīng)力的影響（Biot,1941,1955,1977)[27-29]。在文獻[28]中，孔隙率bi被定義為有效孔隙面積與橫截面Ai的比值。有效孔隙面積則被定義為在垂直于橫截面Ai的方向，單位長度所有微小孔隙面積的總和�？紫堵蔮i同樣可以代表孔隙體積（Vp）與代表體體積（Vb）的比值。在混凝土壩彈性分析中，通常假定含有孔隙的大壩混凝土是均質(zhì)、各向同性的，因而經(jīng)常采用bi的一個各向同性值bx=by=bz=b0進行混凝土壩的彈性分析。對于土體的應(yīng)力計算，通常取b0≈1。然而，對于彈性范圍內(nèi)混凝土的應(yīng)力計算，取b0≈1則是不合理的，因為混凝土即使在即將破壞的狀態(tài)下，b0仍小于1。文中應(yīng)力符號以拉應(yīng)力為正。飽和孔隙介質(zhì)的應(yīng)力分解如圖3所示，作用在單元表面的總應(yīng)力可以分解成兩部分：與內(nèi)部水壓力p相互平衡的外力bp和有效應(yīng)力，單元的平均變形只與有效應(yīng)力有關(guān)，可表示為：
【參考文獻】：
期刊論文
[1]考慮流固耦合效應(yīng)的重力壩水力劈裂模擬[J]. 王克峰,章青,夏曉舟. 應(yīng)用數(shù)學(xué)和力學(xué). 2015(09)
[2]Simulation of hydraulic fracture utilizing numerical manifold method[J]. ZHANG GuoXin,LI Xu,LI HaiFeng. Science China（Technological Sciences）. 2015(09)
[3]混凝土壩全過程多場耦合仿真分析[J]. 張國新,沙莎. 水利水電技術(shù). 2015(06)
[4]基于損傷理論的重力壩壩基巖體漸進破壞數(shù)值模擬研究[J]. 任青文,劉爽,陳俊鵬,周晨露. 水利學(xué)報. 2014(01)
[5]SAPTIS:結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性分析軟件開發(fā)及應(yīng)用（之二）[J]. 周秋景,張國新. 水利水電技術(shù). 2013(09)
[6]重力壩高壓水劈裂模擬方法與特高重力壩設(shè)計準(zhǔn)則初步探討[J]. 賈金生,汪洋,馮煒,常凊睿. 水利學(xué)報. 2013(02)
[7]SAPTIS:結(jié)構(gòu)多場仿真與非線性分析軟件開發(fā)及應(yīng)用（之一）[J]. 張國新. 水利水電技術(shù). 2013(01)
[8]重力壩水力劈裂分析的擴展有限元法[J]. 董玉文,任青文. 水利學(xué)報. 2011(11)
[9]高孔隙水壓作用下混凝土滲流-損傷耦合模型[J]. 林凱生,李宗利. 水利水運工程學(xué)報. 2010(02)
[10]玉石水庫6號壩段劈頭裂縫原因分析[J]. 曹剛,傘小雨,王宇. 水利建設(shè)與管理. 2008(05)
本文編號：3106507
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