土坝流固耦合理论在FEPG中的编程实现与成果分析

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土石坝具有取材方便,施工技术简单,对地形地质条件适应性强,易于维修等众多优点,因此得到了广泛的建设。土石坝特殊的材料结构,使得处于运行状态的坝体内存在渗流,渗流成了土石坝破坏的重要因素。渗流引起的土石坝破坏,是与渗流场和应力场的相互作用分不开的,因此研究土石坝渗流场与应力场的耦合特性具有重要意义。本文在总结有关土体渗流场与应力场耦合模型的计算方法的基础上,选取采用间接耦合法的土坝渗流场与应力场耦合模型,进行稳定渗流期工况下土坝渗流场与应力场耦合计算程序的开发。主要的研究工作内容包括:  (1)分析了在稳定渗流期工况下,土坝的渗流场与应力场耦合机理;根据稳定渗流期的渗流特点,确定了渗流方程和定解条件;根据土坝的变形受力特点,确定了土坝的土体平衡方程、本构模型和边界条件;在上述工作基础上,确定了土坝稳定渗流场与应力场耦合的数学模型。  (2)总结了FEPG软件的特点和应用方法,基于虚位移原理,推导了线弹性土坝流固耦合的控制方程的弱解形式,基于方程弱解形式以及计算步骤,编写了相应的脚本文件,生成了处于稳定渗流期的线弹性土坝流固耦合的计算程序,并结合商业软件ANSYS进行了算例的验证;对线弹性土坝的考虑耦合作用(稳定渗流期工况)与不考虑耦合作用(竣工期工况)的计算结果进行了比较分析。  (3)对于土坝,选取了非线性邓肯张模型计算位移场和应力场,开发了采用中点增量法计算非线性位移场与应力场的程序,并结合商业软件ABAQUS进行了算例验证;根据非线性弹性土坝耦合场的控制方程以及计算步骤,利用FEPG生成了有限元源程序,对程序进行了调试和算例计算。  (4)对非线性弹性土坝考虑耦合作用(稳定渗流期工况)与不考虑耦合作用(竣工期工况)的各场进行计算比较,同时对线弹性土坝与非线性弹性土坝在流固耦合作用下的各场进行了比较。
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