数值模拟作业

中国地质大学研究生课程论文课程名称数值模拟技术教师姓名##########研究生姓名##########研究生学号·············研究生专业地质工程所在院系工程学院类别:学术硕士日期:2014年11月评语对课程论文的评语:平时成绩：课程论文成绩：总成绩：评阅人签名：注：1、无评阅人签名成绩无效；2、必须用钢笔或圆珠笔批阅，用铅笔阅卷无效；3、如有平时成绩，必须在上面评分表中标出，并计算入总成绩。第一部分：数值模拟技术研究文献综述一.前言（理解、体会）近年来，随着中国大规模地进行“西部大开发”和“南水北调”等巨型工程，越来越多的岩土工程难题摆在我们面前，单纯依靠经验显然已不能有效指导工程问题的解决，迫切需要更强有力的分析手段来进行这些问题的研究和分析。自R.W.Clough上世纪60年代末首次将有限元引入某土石坝的稳定性分析以来，数值模拟技术在岩土工程领域取得了巨大的进步，并成功解决了许多重大工程问题。特别是个人电脑的普及及计算性能的不断提高，使得分析人员在室内进行岩土工程数值模拟成为可能。在这样的背景下，数值模拟特别是三维数值模拟技术逐渐成为当前中国岩土工程研究和设计的主流方法之一，也使得岩土工程数值模拟技术成为当今高校和科研院所岩土工程专业学生学习的一个热点。岩土工程数值模拟正是从岩、土体的受力状态出发，来分析和预测岩、土体破坏情况的一种手段。其基本原理是以典型试样的物理试验（室内试验或现场试验）获得的强度来表征整个地质体的岩、土体强度，以边界条件替代地质体周围所受的约束条件，借由本构关系表达岩、土体在外力作用下的应力-应变特性，最终了解、预测岩、土体变形破坏情况。数值模拟技术具有鲜明的时代特征，以计算机为实现平台，是信息化时代的产物。通过对数值模拟课程的学习，对数值模拟技术有了一定成度的了解，并对FLAC3D软件进行上机学习，初步掌握了一些基本知识。在对数值模拟技术和模拟软件有一定了解的基础上，并结合项目研究的需要，学生在暑假期间对砂土液化变形的数值模拟研究做了较为深入的学习，初步学习了ANASY和FLAC3D等数值模拟软件在重力坝坝基抗滑稳定性研究中的应用。针对这一阶段的学习，在总结和借鉴前人在重力坝坝基抗滑稳定性模拟研究的基础上，做了如下关于重力坝坝基抗滑稳定性非线性有限元研究的读书报告。二、读书报告重力坝坝基抗滑稳定性非线性有限元研究引言：历来人们都在不断地治理水患、建设水利工程，而重力坝[l]是人类最早使用的一种水坝坝型，其历史可以追溯到公元前2900年的一座高巧米顶长240米的诞生在埃及尼罗河的挡水坝，据历史记载这就是历史上第一座重力坝。从此重力坝一直使用至今，且仍是当今世界水坝中的主要组成部分。概括说来，重力坝具有以下一些优点:(l)相对安全可靠，耐久性好，抵抗渗漏、洪水漫溢、地震和战争破坏能力都比较强;(2)坝体抗冲能力好，坝体中可布置引水、泄水孔口，解决发电、泄洪和施工导流等问题;(3)断面形状简单，结构作用明确，施工方便，安全可靠;(4)对不同的地形和地质条件适应性强，任何形状河谷都能修建重力坝，对地基条件要求相对地说不太高;(5)有丰富的设计建设经验，工作可靠，使用年限长，施工放样、扩建、维护简单。设计、施工技术简单，易于机械化施工，适合于在各种气候条件下修建。综上所述，重力坝以其悠久的历史、稳重的外观、简单的结构、可靠的运行历来博得工程界人士的厚爱。爱者，必使其蓬勃也。近代以来重力坝家族家丁旺盛，在世界各地都能见其踪影，为人类造福绵绵。我国建国初期，全国兴起了修建水库、水电站的热潮[5]。据统计从1949一1985年间，己建成重力坝达58座，占总数的51%。近二十多年以来，国家加快了水利水电尤其大型特大型水利水电开发的速度，同时加大了开发的力度。实行改革开放以后，已具备更大规模开发和利用水资源的条件，如正在兴建的三峡水利枢纽;正在研究的南水北调工程等都是世界一流的大型水利工程。由于设计理论和施工技术的提高，水利工程建筑速度加快，规模增大，200米以上的高坝不断出现。这些水利工程的兴建为人类带来诸多裨益，全国水库在历年的防洪抗洪中都发挥了不可替代的作用。大坝成为祖国河山坚强的卫士，引导温顺祥和之水，驯服柴赘不逊之水，造福人类，功不可没。而这些工程在造福区域人民的同时也潜在地威胁着他们的生命财产安全。由于大坝是挡水建筑物[2]，除坝体自重外，还承受很大的水平推力和扬压力，存在向下游滑动的危险性，而重力坝的稳定性全靠坝体自重来维持，当作用在坝体上的全部荷载对坝基任意可能滑动面的滑动力(即对该滑动面的切向分量)大于其阻滑力时，坝基就要发生剪切破坏或滑动，对大坝安全造成很大威胁。在世界坝工史中，不乏由于坝基滑动而导致大坝失事的实例，据西班牙《公共工程评论》统计的水坝失事原因，地基破坏所占的比例高达40%，1971年英国工程师BiswaS等研究了300多座失事大坝，归纳出因基础问题失事的比率达35%[5]。坝基抗滑稳定性成为关系到大坝安全的关键问题之一。随着水利事业的不断发展，一方面对水的需求越来越紧迫，另一方面有利的坝址大多数已经开发蓄水。因此越来越多的大坝将修建在复杂地质构造的岩基上，而基岩的性质对大坝深层抗滑稳定性的影响巨大，这就使深层抗滑稳定性问题变得尤为重要，设计时必须对坝基深层抗滑稳定性进行验算，以确保大坝的稳定和安全。深层抗滑稳定性研究对人民生命安全及国民经济都有着极大的影响。坝基滑动破坏的形式有表面滑动和深层滑动两种基本类型[2]。表面滑动即沿坝基混凝土与岩土体接触面发生的滑动破坏，如格莱诺坝的破坏。深层滑动有两种情况:一种是发生在均质坝基的剪切破坏，其滑动面轨迹近弧形;另一种是沿岩土体中的缓倾角夹层或软弱结构面的滑动，如奥斯汀坝就是由于坝基沿建基面以下60cm的粘土页岩夹层发生滑动和破坏。应用D一P4屈服准则、以塑性屈服区贯通为安全判据、强度折减过程中适当调整弹性模量和泊松比，并考虑不同范围降强、以本文改进的扬压力施加方式考虑水荷载。在此基础上，本章将结合ANsys和ABAQus有限元程序的强大分析功能，对其屈服模式进行扩充，并加以一定的修改，用参数化语言编写适用于重力坝抗滑稳定的强度折减有限元方法计算分析程序，并结合具体工程实例，即金沙江向家坝的两个典型坝段进行非线性有限元针对重力坝深层抗滑稳定性问题的计算分析，对结果进行多方面综合分析，总结规律，提出需要改进之处。1基本原理1.1广义等K法计算原理Sarma法是岩质边坡稳定分析中常用的一种方法，该方法对土条进行斜分条，并假定在底滑面和倾斜界面上均达到极限平衡，据此推导出计算安全系数的公式。将该方法推广到重力坝深层抗滑稳定分析时，一般假设条块界面为垂直面且对穿越混凝土坝体部分的条块界面的黏聚力c和摩擦系数f值取为0。针对重力坝垂直条分的特殊情况，广义等K法的计算公式为：式中系数κ按下式计算：1.2分项系数极限状态设计方法电力行业混凝土重力坝设计规范规定使用极限状态表达式来进行结构和地基的稳定性验算，要求将建筑物抗滑稳定分析从传统的安全系数表达式改为极限状态表达式，对承载能力极限状态验算的表达式为：在进行重力坝抗滑稳定分析时，可以将分项系数极限状态方法的式改造为使用安全系数K的表达形式：对式中的荷载和抗力各项乘上相应的分项系数后，仍可按传统的极限平衡方法和强度折减意义求解安全系数K，即求解满足K值2ANSYS工程建模由于本计算中涉及的软弱结构面较多，表现出很强的非线性特点，因此本文结合ANSYS和ABAQUS各自的优势进行计算分析，即用ANSYS建模，形成几何模型信息、材料信息以及约束和荷载信息，将这些信息转化为ABAQUS命令流文件，进行ABAQUS非线性有限元计算，并进行后处理。计算中要建立的数学物理模型应能模拟大坝结构特点、图中所示坝基的地质构造特征和坝基的主要地质结构面，以满足计算成果精度的需要。在建模时应充分反映结构的几何、材料分区和受力等方面的特征。有限元模拟的第一步就是离散化，这部分以ANSYS为平台来完成。划分网格的疏密对结果有一定的影响，网格划分太疏则造成计算精度很低，如果网格剖分的太密，则会造成计算时间成倍增长，但是对计算结果的精度只有很小的影响，因此，需要对有限单元模型进行收敛性研究以确定合适的网格密度。其中对坝体和坝基进行材料分区，坝基面附近网格较密，以反映材料的突变及大坝在建基面附近的应力集中特点;对于基岩，模拟了不同岩性的岩体，考虑了主要软弱夹层。在本构仿真方面，由于研究重点在于坝基，因此对坝体混凝土采用了弹性模型，对坝基岩体采用弹塑性一断裂模型。在受力仿真方面，按加载路径分别计入初始地应力场、坝体自重、水压力、淤沙压力等作用，以准确反映工程结构受载的物理力学环境和各类荷载的作用效应，初始地应力场仅考虑重力场。图2-1重力坝网格图图2-2泄洪道坝段网格示意图3ABAQUS非线性有限元计算ABAQUS对初始应力场的模拟一般都是采用生死单元法，即在整体建模之后将坝体部分“杀死”，对坝基部分施加自重作用，以模拟初始自重应力场，计算之后，得到初始应力资料，生成输入文件，将初始应力指定为一科，荷载，然后再“激活”坝体部分，施加所有荷载，继续下面的计算。这样坝基部分存在自重引起的初始应力，而位移为零。其中“杀死”单元并不是删除，而是将这部分单元的劲度矩阵乘以一个很小的系数网，并从总质量矩阵消去单元的质量来体现单元的“死”，同时无活性（压力、热应变等）荷载被设置为零。图3-1坝基未折减时竖向位移等值线图图3-2坝基未折减时最大主应力等值线图图3-3坝基未折减时最小主应力等值线图图3-4天然条件下坝基塑性区图通过分析计算天然状况坝体及坝基的受力状况和塑性区开展情况，发现天然状况下，坝体和坝基变形不大，应力也不大，只在小范围出现拉应力，且数值不大。塑性开展范围不大，大部分位于软弱夹层和坝体与坝基交接面处。这说明在天然状况下，坝基比较安全，满足设计要求。如果按照计算过程中应力和应变不收敛来看，计算出来的安全系数是2.50；如果按照突变的角度来考虑，计算出来的安全系数是2.45。综上所述，以位移和能量突变以及塑性区贯通为失稳判据得到的安全系数较为接近，以安全起见，可认为在工况I情况下坝体及基岩系统的安全系数为2.45。且整个体系破坏主要为压剪破坏，表现为水坝整体与坝基交界处一直到坝址附近质量较差的岩体，最终从下游处滑出，同时，坝址附近的质量较差的岩体也是危险部位。基岩内部从中间向两边有分离断开的趋势。4结论本文首先详细讨论了目前稳定性计算的方法，指出各种方法的优缺点，然后总结有限元基本理论与分析步骤，分析材料非线性有限元的特点及处理方法，讨论大型商业软件ANSYS和ABAQUS的应用，通过典型算例研究了其中一些关键问题，包括屈服准则类型、在各种程序中的实现、对结果的影响以及选用依据；安全系数的定义、安全判据的形式和对结果的影响分析；单元类型及网格划分等对有限元分析的影响。最后借助大型工程实例金沙江向家坝，利用以上讨论的成果进行较为系统的深层抗滑稳定性计算分析，考察工程的稳定性、失稳破坏的发展过程及轨迹。参考文献：[l]潘家铮.重力坝设计[M]，北京:水利电力出版社，1987.[2]汝乃华.重力坝[M]，北京:水利电力出版社，1983.[3]混凝土重力坝设计规范,DL5108一1999中国电力出版社,2000.[4]陈宪宏.关于岩基混凝土重力坝抗滑稳定的一些问题[J].水力发电学报，Vol.24No.1，Feb.，2005.[5]陈国立.重力坝深层抗滑稳定基本特点的初步分析[J].[6]博弈创作室.ANSYS7.0基础教程与实例详解[M」,北京:中国水利水电出版社，2003.[7]ZienkiewOC，HumPhesonCandLewisRW.Associatedandnon-AssoeiatedViseo-PlastieityandPlasticityinSoilMachanies[J].Geoteehnique，1975，25(4):671~689.[8]Sarma，S.K.Stabilityanalysiso