文档介绍：上圣费南多土坝地震破坏机理以及残余强度对其的影响(建筑与土木工程学院,土木系,土木工程专业苏焱山)(学号:2000102055)内容提要:本文利用二维完全耦合有限元动力分析程序SUMDES2D,对上圣费南多土坝进行地震动力分析。分析了土坝在不同密度,即不同残余强度下的动力响应。勾画出了土坝的整体位移图,对局部位置描绘出应力路径和应力应变曲线。同时还介绍了与状态相关的剪胀性理论和临界状态砂土模型。计算结果切合理论,也与实际相符。关键词:剪胀性、流动变形、反复流动、液化、残余强度、上圣费南多土坝老师点评:苏焱山同学对所从事的研究内容有非常浓厚的兴趣,工作积极主动,勤于思考。查阅了一定数量的文献资料,对于临界状态土力学、土动力学、与状态相关的砂土模型、有限元方法和两相介质完全耦合分析方法的理论框架和基本概念有一定的认识和理解。苏焱山同学较熟练地掌握二维完全耦合有限元分析程序SUMDES2D,能够运用该数值分析方法分析土坝在地震作用下的动力响应,研究水力冲填土的密度对土坝抗震性能的影响,分析结果和对结果的解释合理。(点评老师:明海燕,副教授)1、概述1971年在圣费南多地震中,虽然上、下圣费南多坝距离很近,但地震破坏差异大。上坝只发生了有限度的流动变形[1],而下坝却发生严重的滑动破坏。上下圣费南多坝都是用水力冲填土的方式,填积而成,并没有经过夯实,密度较低,导致水利冲填土的残余强度低,这是造成地震破坏的直接原因。本文采用二维完全耦合有限元动力分析程序SUMDES2D[2]对模拟上圣费南多坝地震过程,介绍了一组关于上坝的完全耦合分析,分析上坝的地震响应,解释水利冲填土残余强度对上坝的影响,同时还介绍了分析所采用的临界状态砂土模型[3],提出土坝变形破坏的可能内在机理,指出如果上坝经过夯实,水利冲填土的密度上升,残余强度提高,那么土坝变形的幅度会大幅减小。2、数值分析程序和本构模型本文所采用的二维完全耦合有限元动力分析程序SUMDES2D,在动量守恒定律和质量守恒定律的基础上,耦合了土骨架、孔隙水以及土水相互作用这三个本构关系。分别介绍如下:物理定律:用其张量表现形式[式(1)、(2)],包括:σ−ρb=−ρu&&动量守恒定律:ij,jii(1)σ其中ij,j是总应力对j的导数;ρ为土的密度;bi为体积力;ui为土单元位移n(ν+ε&)+u&=0质量守恒定律:i,ivwci,i(2)ν其中i,i为i方向渗流速度对i的导数;εvwc为孔隙水的体积应变;n是孔隙比。本构关系:由于土这种材料性质复杂,不能用单一的本构模型来模拟。要结合土骨架、孔隙水以及土与水相互作用等三个本构关系,分别作以下介绍:1土骨架的本构关系土骨架的本构关系,也就是本文所采用的临界状态砂土模型,该模型引入了与状态相关剪胀性的概念,即土的剪胀性不仅取决于应力比,而且还取决于材料的内部状态。在三轴压缩空间,剪胀性定义为:pdεψηD=v=d(em−)dεp1Mqc(3)εp其中v为土骨架的塑性体积应变;εpq为土骨架的塑性偏应变;d1和m是两个材料常数;η=q/p'是应力比,其中q是偏应力,p'是平均有效正应力;Mc是应力比在临界破坏时的值;ψ=e−eec是状态参数,e是孔隙比,c是临界状态孔隙比。<ψ>对于松砂土破坏时的密度值总小于初始值,即ece,0,从而D>0剪胀性为正,表明模型模拟松砂在临界状态前的响应是剪切收缩的,也就是说模型能够模拟松砂的流动液化。ψ<对于紧砂土,0,不能直接判断是剪胀还是剪缩,那么模型提供了一个相态转换应η=Memψ<,在该状态剪胀性为零,模型响应从剪缩切换到剪胀,也就是说模型能够模拟紧砂的反复流动响应。η<M在此还要强调一点:松砂不会出现相态转换,也就是说,在c时剪胀性D不可η能为零,应力比也不可能达到pt。因此,对于整个模型,用了同一个剪胀性公式描述了松砂的流动液化和紧砂的反复流动响应,这就能够全面地分析砂土在不同密度不同应力状态下的响应。在这种统一的框架之下,对一种砂土材料只需要一组材料参数,就能够分析其在不同的密度、应力状态下的响应。水的本构关系,该程序认为水是可压缩的,不受剪力。土与水的相互作用,也就是水在土中的渗流作用,也就是达西定理。3、上圣费南多坝概况及有限元模型(a)上圣费南多坝横截面图2冲积土碾压填土水力冲填土芯墙水力冲填土水位线浸润线冲积土(b)上圣费南多坝有限元网格(c)Pacoima地震波图1土坝的横截面、有限元网格及输入地震图1a为上圣费南多坝的横截面图。可以看到土坝的下游边坡有明显的隆起,坝顶平台整体有向下游方向的流动变形,也就是说,土坝有向下游方向滑动的趋势。图1b为上坝的有限元分析网格。本文为上坝做的有限元模型,共划分成620的有限单元,2521个节点。图1c为分析所采用的输入地震波,Pacoima加速度谱,峰