工程技术与施工管理方向论文参考

　　沥青混凝土心墙坝[1]是土石坝的主要坝型之一，作为一种经济和非常具有竞争力的坝型越来越受到国内外相关专家和工程界的重视。大坝主体由堆石或砾石组成，中间设置的沥青混凝土心墙起防渗作用[2-3]。由沥青、矿料与掺合料等原材料按适当比例配合后经加热、拌和以及压实或浇筑等工艺成型的沥青混凝土，具有良好的适应变形能力、抗冲刷能力、抗老化能力、裂缝自愈能力、严寒条件下亦可施工以及整个心墙无须设置结构缝等优点[4]。因此，沥青混凝土被广泛的应用于水工结构防渗体上，特别是在寒冷地区的土石坝内防渗墙上[5]。

　　摘要：在沥青混凝土心墙坝的设计中，应将试验和设计紧密相连，综合考虑各参数的影响，利用计算来指导试验，调整优化配合比设计，使大坝达到较佳的工作状态。针对新疆某沥青混凝土心墙坝，对坝体的各部分材料进行了三轴试验，得到邓肯-张E-u模型参数，并对沥青混凝土心墙坝进行三维非线性有限元分析。根据温控参数折减法，研究了邓肯-张E-u模型参数对沥青混凝土心墙的最大水平、竖向位移及大、小主应力的影响。结果表明：黏聚力c、内摩擦角φ、参数k和G对心墙的最大水平、竖向位移及大主应力的影响较大，但对小主应力的影响不明显。其他参数对最大位移和大、小主应力的影响则相对较小。研究结果可为沥青混凝土配合比设计优化和数值计算提供依据和参考。

　　关键词：工程技术与施工管理方向论文,邓肯-张E-u模型,沥青混凝土心墙,位移,主应力

　　1研究背景

　　但在土石坝的设计中，试验和设计大都是分开进行的，造成试验和设计完全脱节。事实上，土石坝设计应该综合考虑选取各参数的取值，然后进行计算，得到其参数对其工作性状的影响；根据参数取值，进行指导调整土石坝的配合比设计，使大坝达到较佳的工作状态。在有限元分析中，由于邓肯-张模型的参数容易通过试验获得，因此该模型在国内外得到了广泛的应用[6]。但是目前关于模型参数取值对土石坝沥青混凝土心墙力学性能影响等问题的研究，还未见报道。本文拟采用邓肯-张E-u模型[7-8]，对新疆某沥青混凝土心墙坝进行三维非线性有限元计算，主要是根据温控参数折减法，研究模型的参数对沥青混凝土心墙的最大水平、竖向位移及大、小主应力的影响，为沥青混凝土配合比设计和数值计算提供参考和依据。

　　2心墙坝三维非线性有限元分析

　　2.1模型参数

　　针对新疆某沥青混凝土心墙坝，坝壳料、过渡料、沥青混凝土心墙和利用料均采用邓肯-张E-u模型，通过三轴试验，得到各种材料模型参数，见表1。其他部分为线弹性材料，其参数分别为：沥青混凝土心墙基座的弹性模量E=25GPa，μ=0.167；基岩的弹性模量E=22GPa，μ=0.21。

　　2.2三维有限元建模

　　坝体计算的典型横剖面见图1，拦河坝为沥青混凝土心墙坝。大坝正常蓄水位1474m，坝高66m，上游坝面坡度为1∶2.25，下游坝面坡度为1∶2.0。沥青混凝土心墙坝以坝料强度、渗透性、压缩性、施工方便和经济合理等为原则进行分区，除沥青混凝土心墙外，大坝其他部位共包括坝壳料区、过渡料区、上游围堰、利用料及排水料区。

　　根据坝体分区特点，对坝体进行建模，横河向和顺河向、铅直方向分别为建模的X、Y、Z轴方向。对坝体进行有限元网格剖分时，在心墙与过渡料、心墙与基座的交界面设置了薄层单元。大坝的有限元网格总单元数26324个，总结点数29744个。

　　考虑到坝体施工为分层填筑和堆石体等材料的非线性特性，坝体荷载采用逐级加载的方式，坝基作为已存在的部分（只具有初始应力），沥青混凝土心墙和拦河坝堆石体同步填筑。计算按坝体施工填筑的先后顺序分9级来模拟，坝体填筑完成后，分8级施加水荷载，水压力以面力的形式作用在沥青混凝土心墙上游面上。

　　2.3沥青混凝土心墙坝三维有限元分析

　　根据三轴试验结果（表1），采用邓肯-张E-u模型对沥青混凝土心墙坝进行了三维非线性有限元分析，得到大坝满蓄期的水平、竖向位移和大、小主应力等值线，见图2至图5。

　　根据大坝的有限元分析，可以得到如下认识。

　　（1）心墙最大沉降，满蓄期为16.18cm，竣工期为17.51cm，沉降最大值均位于坝体中轴线偏下游约1/2坝高处，见图2。竣工期心墙最大水平位移顺河向，上游为5.02cm，下游为8.15cm。由于水压力的作用，心墙顺河向位移向上游减小，向下游增大，最大值分别为4.19cm和9.35cm，见图3。

　　（2）图4、图5分别为大坝最大横剖面在满蓄期大、小主应力等值线图。由图可知，坝体大、小主应力最大值均出现在坝底部中轴线两侧。满蓄期时上游坝体的大、小主应力比竣工期时要小，最大值分别为1.295MPa和0.663MPa。因为，满蓄期上游坝体受到浮力影响，堆石体有效容重减少，大、小主应力均减小。在沥青混凝土心墙部位没有出现拉应力。满蓄期，心墙大主应力的最大值为1.857MPa、小主应力为0.933MPa。

　　3沥青混凝土心墙材料参数对其工作性状的影响3.1温控参数折减法

　　在通常的有限元分析程序中，需要在输入文件中给定材料参数。研究材料参数对心墙性能影响时，需要反复修改文件中材料参数的值，然后再进行计算。每一组参数都要重新输入，计算比较繁琐。在大型通用有限元程序中，可以利用其现成的材料参数可随温度场变量的变化而变化的功能，定义材料参数指标f随温度场的变化而变化。函数式为f（θ）=f（θ0）×（1.2-0.1θ），f（θ0）为材料参数初始值。此时温度场只是一个变量场，不代表实际的温度，只是起到带动材料参数变化的作用[9]。在有限元静力分析中的时步不代表真实的时间，而是只代表“载荷”的变化过程。当时间t由0增加到1时，定义温度场θ随时步t也由0增加到1，θ（t）=t，即实现材料参数与时步t的一一对应的关系，并随着t的增加而线性折减。该过程均由有限元软件自动完成，不需要重新编制程序或人为重复输入材料参数进行再计算的过程。3.2心墙参数对沥青混凝土心墙工作性状的影响分析

　　针对邓肯-张E-u模型的8个参数，采用温控参数折减法（t=0，1，2，3，4）对沥青混凝土心墙坝（满蓄期）进行了数值模拟计算，每一组通过改变其中一个参数，保持其他参数不变，来讨论心墙参数对沥青混凝土心墙最大水平、竖向位移和大、小主应力的影响。

　　通过有限元计算，得到邓肯-张E-u模型的参数变化对沥青混凝土心墙的最大水平、竖向位移和大、小主应力的影响曲线，见图6。

　　图6为邓肯-张E-u模型的8个参数变化对沥青混凝土心墙的最大水平、竖向位移及大、小主应力的影响曲线。分析后可得出如下结论。

　　（1）由图6（a）、（b）可知，随着黏聚力c值的增加，沥青混凝土心墙的最大水平和竖向位移均减小，竖向位移要比水平位移的减小幅度大。大、小主应力呈现非线性增加，但增加的速度较缓。

　　（2）图6（c）、（d）为内摩擦角φ的增减对水平、竖向位移及大、小主应力的影响曲线。随着内摩擦角φ值增大，心墙最大水平位移和竖向位移均为减小趋势，当内摩擦角φ值为25.2°时，水平最大位移为5.22cm，最大竖向位移为15.17cm；当内摩擦角φ值增大到27.7°时，此时水平最大位移为5.12cm，最大竖向位移减小到13.96cm。内摩擦角φ值增大对小主应力的影响很小，几乎没有影响。大主应力随φ值增大呈线性增加趋势。

　　（3）由图6（e）可知，初始模量基数k的变化对沥青混凝土心墙的最大水平和竖向位移的影响较为显著。当参数k值增加时，心墙的最大水平和竖向位移均减小。当参数k为825时，最大水平和竖向位移分别4.49cm和13.31cm；当参数k值达到900时，此时最大水平和竖向位移分别减小到3.35cm和11.12cm。k值对小主应力的影响很小，对大主应力影响较大，随k值增大呈线性增加，且增加的幅度很大，见图6（f）。

　　（4）参数n对心墙的最大位移影响，见图6（g）。初始切线变形模量Ei与围压力σ3成指数关系，参数n为初始模量指数。当参数n增加时，心墙的最大水平位移在增加，竖向位移在减小；大、小主应力均增加。但n值的变化对水平、竖向位移及大、小主应力的影响较小，见图6（h）。

　　（5）由图6（i）、（j）得出，当破坏比增大时，沥青混凝土心墙的水平和竖向位移都相应增大，但竖向位移增加速度较快；大、小主应力随Rf的增加而减小，破坏比Rf对大主应力影响较大，对小主应力的影响很小。

　　（6）图6（k）反映了水平和竖向位移随参数G值的变化规律，变化幅度较大。位移随G值增大而减小，且参数G越小，对位移的影响程度越大。参数G对大、小主应力影响都比较明显，见图6（l）。从变化趋势得出，参数G的影响比较大，是该模型的主控参数之一。

　　（7）参数F和D值的变化对水平和竖向位移的影响都比较小，对大、小主应力的几乎没有影响，见图6（m）至（p）。最大竖向位移随参数F和D的增大而减小，最大水平位移随参数F的增大而减小、而随参数D的增大而增大。

　　4结语

　　基于邓肯-张E-u模型对坝体的各部分材料进行了三轴试验，根据试验所得模型参数，对沥青混凝土心墙坝进行三维非线性有限元计算。基于温控参数折减法，分析了邓肯-张E-u模型参数对沥青混凝土心墙的最大水平、竖向位移及大、小主应力的影响。结果如下：（1）黏聚力c、内摩擦角φ、参数k和G对心墙的最大水平、竖向位移及大主应力的影响较大，对小主应力的影响不明显；（2）破坏比Rf、参数n、D和F对最大位移和大、小主应力的影响相对较小。

　　通过计算分析，得到沥青混凝土心墙坝的参数对其工作性状的影响，大坝设计应综合考虑各参数的取值，调整沥青混凝土心墙坝的配合比设计，使大坝达到较佳的工作状态。

　　参考文献：

　　[2]祁世京.土石坝碾压式沥青混凝土心墙施工技术[M].北京：中国水利水电出版社，2000.

　　[6]何昌荣，杨桂芳.邓肯-张模型参数变化对计算结果的影响[J].岩土工程学报，2002，24（2）：170-174.

　　[7]王为标，孙振天，吴利言.沥青混凝土及应力-应变特性研究[J].水利学报，1996，27（5）：1-8.

　　[8]陈树文.西龙池电站上水库沥青混凝土面板堆石坝填筑施工技术[J].南水北调与水利科技，2008，6（5）：118-120.

　　[9]曹先锋，徐千军.边坡稳定分析的温控参数折减有限元法[J].岩土工程学报，2006，28（11）：2039-2042.

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