考虑堤基堤身相互作用的软土堤防数值模拟.pdf

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1、第37卷第3期人民黄河Vo1．37．No．32015年3月YELL0WRIVERMar．．2015【防洪治河】考虑堤基堤身相互作用的软土堤防数值模拟蔡珊珊，苏怀智，肖峰，赵斌(1．河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏南京210098；2．河海大学水利水电学院，江苏南京210098；3．中南勘测研究院有限公司，湖南长沙410000；4．南京南瑞集团公司国际公司，江苏南京210003)摘要：借助有限元等数值模拟手段，基于复杂地质条件特点和恶劣运行环境影响，分析堤防工程的工作性态，揭示其驱动机制，对及

2、时发现堤防工程安全隐患、合理进行补强加固具有重要意义。以建于软土地基上的堤防工程为对象，开展考虑堤基堤身相互作用的堤防工作性态有限元数值仿真研究，探究适用于软土堤防工程堤基与堤身特性的本构模型和数值计算方法。结合实际工程案例，通过为不同土体选取合理本构模型，建立基于摩擦接触模型的堤防有限元模型，对该软土堤防工作性态进行分析计算，并与未考虑相互作用的有限元计算结果进行对比分析。结果表明：定义摩擦模型的相互作用会使堤防应力和水平位移计算结果有所减小，而竖直位移计算结果稍有增大，经过分析认为，考虑相互作用的计算更符合

3、实际情况。关键词：软土堤防；堤基堤身相互作用；工作性态分析；数值模拟中图分类号：TV871文献标志码：Adoi：10．3969／j．issn．1000．1379．2015．03．012经过几百年甚至上千年逐步加高培厚的堤防，是方法研究。江河重要的防洪屏障。但是，近年来稀见洪水、强台风1数值模拟方法等自然灾害频繁暴发，同时人类涉水活动加剧，致使堤防失事时有发生，对社会和经济发展造成了严重的影1．1土体本构模型的选取响。充分考虑堤身与堤基特点以及复杂运行环境，采不同土体骨架结构和应力历史不同，使得其力学用数值模拟的

4、手段，分析评价堤防工程的服役状况和特性产生很大的差别。为了模拟各种土体的应力应变驱动机制，已成为越来越多学者关注的研究课题。例性质，众多本构模型被提出。应用较为广泛的弹塑性如林超明等采用有限元法对劳龙虎水道堤防的应力、模型有Mohr—Coulomb、Drucker—Prager、剑桥和HS变形及稳定进行了分析论证；陈晓平等考虑渗流、波浪等模型，其中Mohr—Coulomb和Drucker—Prager模型力等多重因素，并考虑渗流一应力耦合对软基海堤进是土体模型中最常用而且相似的本构模型。根据文献行了结构稳定性研

5、究；朱海涛采用FLAC软件分析研[6]的分析，在内摩擦角大于22。的情况下，Drucker—究了堤防地基的液化；熊志勇等采用ABAQUS有限元Prager模型的模拟结果与Mohr—Coulomb模型的不太软件对考虑软弱层存在的堤防地基建模分析¨J。接近，此时应该采用后者模拟工程材料。本研究堤身对于在软土甚至深淤泥层上修建的堤防工程，由土体和沙性地基土均采用Mohr—Coulomb模型。于堤防属于民埝工程且工程线长，在软土上筑堤时进图1为子午面与叮r平面上Mohr—Coulomb屈服面行清基是不现实的，因此堤身与

6、堤基结合面不紧密，使收稿日期：2014—10_o9得堤身与堤基的接触带变为薄弱面；而且，软土具基金项目：江苏省杰出青年基金资助项目(BK2012036)；高有天然含水量高、压缩性高、强度低、渗透性差、灵敏度等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20130094110010)；高以及流变性显著等特点，软弱土层对堤防的稳定有国家自然科学基金资助项目(51179066，51139001，41323001，51079086)；水利部公益性行业科研专项(201301061，相当重要的影响，再加上对前期地质条件了解不足，使

7、201201038)；国家重点实验室专项经费资助项目得堤基、堤身之间的互相影响更大。本研究以某软基(20145027612)。作者简介：蔡珊珊(1990一)，女，山东梁山人，硕士研究生，研堤防工程为例，在对本构模型分析的基础上，考虑堤究方向为水工结构安全监控。基、堤身的相互作用，开展软基堤防工程的有限元分析E—mail：820921043@qq．com·44·人民黄河2015年第3期的形状，并将该屈服面与Mises屈服面、Tresca屈服面以及Drucker—Prager屈服面进行了比较。由于Mohr—Coul

8、omb模型屈服面存在尖角，因此采用了连续光滑的椭圆函数作为塑性势面。8=0图2修正剑桥模型的屈服面1．2堤基、堤身相互作用分析方法近年来土与结构物的相互作用在国内外受到了广泛的研究，层状地基上的力学行为也是备受关注的课题，同时对沙与土体接触面的力学性质也有一定研究，但专门针对软土堤防的堤基、堤身相互作用的图1Mohr—Coulomb模型屈服面研究成果较少。相互作用即接触问题，属于非线性