瀝青混凝土心墻壩[1]是土石壩的主要壩型之一，作為一種經(jīng)濟(jì)和非常具有競(jìng)爭(zhēng)力的壩型越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外相關(guān)專家和工程界的重視。大壩主體由堆石或礫石組成，中間設(shè)置的瀝青混凝土心墻起防滲作用[2-3]。由瀝青、礦料與摻合料等原材料按適當(dāng)比例配合后經(jīng)加熱、拌和以及壓實(shí)或澆筑等工藝成型的瀝青混凝土，具有良好的適應(yīng)變形能力、抗沖刷能力、抗老化能力、裂縫自愈能力、嚴(yán)寒條件下亦可施工以及整個(gè)心墻無(wú)須設(shè)置結(jié)構(gòu)縫等優(yōu)點(diǎn)[4]。因此，瀝青混凝土被廣泛的應(yīng)用于水工結(jié)構(gòu)防滲體上，特別是在寒冷地區(qū)的土石壩內(nèi)防滲墻上[5]。

　　摘要：在瀝青混凝土心墻壩的設(shè)計(jì)中，應(yīng)將試驗(yàn)和設(shè)計(jì)緊密相連，綜合考慮各參數(shù)的影響，利用計(jì)算來(lái)指導(dǎo)試驗(yàn)，調(diào)整優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)，使大壩達(dá)到較佳的工作狀態(tài)。針對(duì)新疆某瀝青混凝土心墻壩，對(duì)壩體的各部分材料進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，得到鄧肯-張E-u模型參數(shù)，并對(duì)瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行三維非線性有限元分析。根據(jù)溫控參數(shù)折減法，研究了鄧肯-張E-u模型參數(shù)對(duì)瀝青混凝土心墻的最大水平、豎向位移及大、小主應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、參數(shù)k和G對(duì)心墻的最大水平、豎向位移及大主應(yīng)力的影響較大，但對(duì)小主應(yīng)力的影響不明顯。其他參數(shù)對(duì)最大位移和大、小主應(yīng)力的影響則相對(duì)較小。研究結(jié)果可為瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化和數(shù)值計(jì)算提供依據(jù)和參考。

　　關(guān)鍵詞：工程技術(shù)與施工管理方向論文,鄧肯-張E-u模型,瀝青混凝土心墻,位移,主應(yīng)力

　　1研究背景

　　但在土石壩的設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)和設(shè)計(jì)大都是分開進(jìn)行的，造成試驗(yàn)和設(shè)計(jì)完全脫節(jié)。事實(shí)上，土石壩設(shè)計(jì)應(yīng)該綜合考慮選取各參數(shù)的取值，然后進(jìn)行計(jì)算，得到其參數(shù)對(duì)其工作性狀的影響；根據(jù)參數(shù)取值，進(jìn)行指導(dǎo)調(diào)整土石壩的配合比設(shè)計(jì)，使大壩達(dá)到較佳的工作狀態(tài)。在有限元分析中，由于鄧肯-張模型的參數(shù)容易通過試驗(yàn)獲得，因此該模型在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用[6]。但是目前關(guān)于模型參數(shù)取值對(duì)土石壩瀝青混凝土心墻力學(xué)性能影響等問題的研究，還未見報(bào)道。本文擬采用鄧肯-張E-u模型[7-8]，對(duì)新疆某瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行三維非線性有限元計(jì)算，主要是根據(jù)溫控參數(shù)折減法，研究模型的參數(shù)對(duì)瀝青混凝土心墻的最大水平、豎向位移及大、小主應(yīng)力的影響，為瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)和數(shù)值計(jì)算提供參考和依據(jù)。

　　2心墻壩三維非線性有限元分析

　　2.1模型參數(shù)

　　針對(duì)新疆某瀝青混凝土心墻壩，壩殼料、過渡料、瀝青混凝土心墻和利用料均采用鄧肯-張E-u模型，通過三軸試驗(yàn)，得到各種材料模型參數(shù)，見表1。其他部分為線彈性材料，其參數(shù)分別為：瀝青混凝土心墻基座的彈性模量E=25GPa，μ=0.167；基巖的彈性模量E=22GPa，μ=0.21。

　　2.2三維有限元建模

　　壩體計(jì)算的典型橫剖面見圖1，攔河壩為瀝青混凝土心墻壩。大壩正常蓄水位1474m，壩高66m，上游壩面坡度為1∶2.25，下游壩面坡度為1∶2.0。瀝青混凝土心墻壩以壩料強(qiáng)度、滲透性、壓縮性、施工方便和經(jīng)濟(jì)合理等為原則進(jìn)行分區(qū)，除瀝青混凝土心墻外，大壩其他部位共包括壩殼料區(qū)、過渡料區(qū)、上游圍堰、利用料及排水料區(qū)。

　　根據(jù)壩體分區(qū)特點(diǎn)，對(duì)壩體進(jìn)行建模，橫河向和順河向、鉛直方向分別為建模的X、Y、Z軸方向。對(duì)壩體進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分時(shí)，在心墻與過渡料、心墻與基座的交界面設(shè)置了薄層單元。大壩的有限元網(wǎng)格總單元數(shù)26324個(gè)，總結(jié)點(diǎn)數(shù)29744個(gè)。

　　考慮到壩體施工為分層填筑和堆石體等材料的非線性特性，壩體荷載采用逐級(jí)加載的方式，壩基作為已存在的部分（只具有初始應(yīng)力），瀝青混凝土心墻和攔河壩堆石體同步填筑。計(jì)算按壩體施工填筑的先后順序分9級(jí)來(lái)模擬，壩體填筑完成后，分8級(jí)施加水荷載，水壓力以面力的形式作用在瀝青混凝土心墻上游面上。

　　2.3瀝青混凝土心墻壩三維有限元分析

　　根據(jù)三軸試驗(yàn)結(jié)果（表1），采用鄧肯-張E-u模型對(duì)瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行了三維非線性有限元分析，得到大壩滿蓄期的水平、豎向位移和大、小主應(yīng)力等值線，見圖2至圖5。

　　根據(jù)大壩的有限元分析，可以得到如下認(rèn)識(shí)。

　�。�1）心墻最大沉降，滿蓄期為16.18cm，竣工期為17.51cm，沉降最大值均位于壩體中軸線偏下游約1/2壩高處，見圖2�？⒐て谛膲ψ畲笏�平位移順河向，上游為5.02cm，下游為8.15cm。由于水壓力的作用，心墻順河向位移向上游減小，向下游增大，最大值分別為4.19cm和9.35cm，見圖3。

　　（2）圖4、圖5分別為大壩最大橫剖面在滿蓄期大、小主應(yīng)力等值線圖。由圖可知，壩體大、小主應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在壩底部中軸線兩側(cè)。滿蓄期時(shí)上游壩體的大、小主應(yīng)力比竣工期時(shí)要小，最大值分別為1.295MPa和0.663MPa。因?yàn)椋瑵M蓄期上游壩體受到浮力影響，堆石體有效容重減少，大、小主應(yīng)力均減小。在瀝青混凝土心墻部位沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力。滿蓄期，心墻大主應(yīng)力的最大值為1.857MPa、小主應(yīng)力為0.933MPa。

　　3瀝青混凝土心墻材料參數(shù)對(duì)其工作性狀的影響3.1溫控參數(shù)折減法

　　在通常的有限元分析程序中，需要在輸入文件中給定材料參數(shù)。研究材料參數(shù)對(duì)心墻性能影響時(shí)，需要反復(fù)修改文件中材料參數(shù)的值，然后再進(jìn)行計(jì)算。每一組參數(shù)都要重新輸入，計(jì)算比較繁瑣。在大型通用有限元程序中，可以利用其現(xiàn)成的材料參數(shù)可隨溫度場(chǎng)變量的變化而變化的功能，定義材料參數(shù)指標(biāo)f隨溫度場(chǎng)的變化而變化。函數(shù)式為f（θ）=f（θ0）×（1.2-0.1θ），f（θ0）為材料參數(shù)初始值。此時(shí)溫度場(chǎng)只是一個(gè)變量場(chǎng)，不代表實(shí)際的溫度，只是起到帶動(dòng)材料參數(shù)變化的作用[9]。在有限元靜力分析中的時(shí)步不代表真實(shí)的時(shí)間，而是只代表“載荷”的變化過程。當(dāng)時(shí)間t由0增加到1時(shí)，定義溫度場(chǎng)θ隨時(shí)步t也由0增加到1，θ（t）=t，即實(shí)現(xiàn)材料參數(shù)與時(shí)步t的一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并隨著t的增加而線性折減。該過程均由有限元軟件自動(dòng)完成，不需要重新編制程序或人為重復(fù)輸入材料參數(shù)進(jìn)行再計(jì)算的過程。3.2心墻參數(shù)對(duì)瀝青混凝土心墻工作性狀的影響分析

　　針對(duì)鄧肯-張E-u模型的8個(gè)參數(shù)，采用溫控參數(shù)折減法（t=0，1，2，3，4）對(duì)瀝青混凝土心墻壩（滿蓄期）進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，每一組通過改變其中一個(gè)參數(shù)，保持其他參數(shù)不變，來(lái)討論心墻參數(shù)對(duì)瀝青混凝土心墻最大水平、豎向位移和大、小主應(yīng)力的影響。

　　通過有限元計(jì)算，得到鄧肯-張E-u模型的參數(shù)變化對(duì)瀝青混凝土心墻的最大水平、豎向位移和大、小主應(yīng)力的影響曲線，見圖6。

　　圖6為鄧肯-張E-u模型的8個(gè)參數(shù)變化對(duì)瀝青混凝土心墻的最大水平、豎向位移及大、小主應(yīng)力的影響曲線。分析后可得出如下結(jié)論。

　�。�1）由圖6（a）、（b）可知，隨著黏聚力c值的增加，瀝青混凝土心墻的最大水平和豎向位移均減小，豎向位移要比水平位移的減小幅度大。大、小主應(yīng)力呈現(xiàn)非線性增加，但增加的速度較緩。

　�。�2）圖6（c）、（d）為內(nèi)摩擦角φ的增減對(duì)水平、豎向位移及大、小主應(yīng)力的影響曲線。隨著內(nèi)摩擦角φ值增大，心墻最大水平位移和豎向位移均為減小趨勢(shì)，當(dāng)內(nèi)摩擦角φ值為25.2°時(shí)，水平最大位移為5.22cm，最大豎向位移為15.17cm；當(dāng)內(nèi)摩擦角φ值增大到27.7°時(shí)，此時(shí)水平最大位移為5.12cm，最大豎向位移減小到13.96cm。內(nèi)摩擦角φ值增大對(duì)小主應(yīng)力的影響很小，幾乎沒有影響。大主應(yīng)力隨φ值增大呈線性增加趨勢(shì)。

　�。�3）由圖6（e）可知，初始模量基數(shù)k的變化對(duì)瀝青混凝土心墻的最大水平和豎向位移的影響較為顯著。當(dāng)參數(shù)k值增加時(shí)，心墻的最大水平和豎向位移均減小。當(dāng)參數(shù)k為825時(shí)，最大水平和豎向位移分別4.49cm和13.31cm；當(dāng)參數(shù)k值達(dá)到900時(shí)，此時(shí)最大水平和豎向位移分別減小到3.35cm和11.12cm。k值對(duì)小主應(yīng)力的影響很小，對(duì)大主應(yīng)力影響較大，隨k值增大呈線性增加，且增加的幅度很大，見圖6（f）。

　�。�4）參數(shù)n對(duì)心墻的最大位移影響，見圖6（g）。初始切線變形模量Ei與圍壓力σ3成指數(shù)關(guān)系，參數(shù)n為初始模量指數(shù)。當(dāng)參數(shù)n增加時(shí)，心墻的最大水平位移在增加，豎向位移在減��；大、小主應(yīng)力均增加。但n值的變化對(duì)水平、豎向位移及大、小主應(yīng)力的影響較小，見圖6（h）。

　�。�5）由圖6（i）、（j）得出，當(dāng)破壞比增大時(shí)，瀝青混凝土心墻的水平和豎向位移都相應(yīng)增大，但豎向位移增加速度較快；大、小主應(yīng)力隨Rf的增加而減小，破壞比Rf對(duì)大主應(yīng)力影響較大，對(duì)小主應(yīng)力的影響很小。

　　（6）圖6（k）反映了水平和豎向位移隨參數(shù)G值的變化規(guī)律，變化幅度較大。位移隨G值增大而減小，且參數(shù)G越小，對(duì)位移的影響程度越大。參數(shù)G對(duì)大、小主應(yīng)力影響都比較明顯，見圖6（l）。從變化趨勢(shì)得出，參數(shù)G的影響比較大，是該模型的主控參數(shù)之一。

　�。�7）參數(shù)F和D值的變化對(duì)水平和豎向位移的影響都比較小，對(duì)大、小主應(yīng)力的幾乎沒有影響，見圖6（m）至（p）。最大豎向位移隨參數(shù)F和D的增大而減小，最大水平位移隨參數(shù)F的增大而減小、而隨參數(shù)D的增大而增大。

　　4結(jié)語(yǔ)

　　基于鄧肯-張E-u模型對(duì)壩體的各部分材料進(jìn)行了三軸試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)所得模型參數(shù)，對(duì)瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行三維非線性有限元計(jì)算�；�于溫控參數(shù)折減法，分析了鄧肯-張E-u模型參數(shù)對(duì)瀝青混凝土心墻的最大水平、豎向位移及大、小主應(yīng)力的影響。結(jié)果如下：（1）黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ、參數(shù)k和G對(duì)心墻的最大水平、豎向位移及大主應(yīng)力的影響較大，對(duì)小主應(yīng)力的影響不明顯；（2）破壞比Rf、參數(shù)n、D和F對(duì)最大位移和大、小主應(yīng)力的影響相對(duì)較小。

　　通過計(jì)算分析，得到瀝青混凝土心墻壩的參數(shù)對(duì)其工作性狀的影響，大壩設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮各參數(shù)的取值，調(diào)整瀝青混凝土心墻壩的配合比設(shè)計(jì)，使大壩達(dá)到較佳的工作狀態(tài)。

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