高坝堆石料邓肯-张E-B模型参数的优化与取值研究

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我国水利水电工程正经历一个前所未有的建设高峰,一大批200m甚至300m级的高坝大库工程相继开工建设,土石坝成为在建和已建大坝中的主要坝型。邓肯-张E-B模型在土石坝分析计算中应用较多,随着坝高的不断增加,分析大坝应力应变显得更为重要,而模型参数的合理选取对计算结果影响较大。土工试验规程(SL237-1999)基于室内三轴试验应力水平70%和95%两个试验点拟合的方法确定计算参数K和n,在实际工程中采用该方法确定的模型参数,往往会出现K值偏大,n值偏小甚至小于0的情况,这显然不合理。对于模型参数Kb和m,由于坝体堆石料十分密实,在低围压下体应变会出现明显的剪胀现象,试验曲线的规律不明显,规范方法统计的结果也不是很合理。因此,对土石坝而言,邓肯-张E-B模型参数确定的合理与否,有极为重要的意义。  本文在深入研究规范方法和大量堆石料试验结果的基础上,回顾并阐述了邓肯-张E-B模型的研究进展与现状,整理了邓肯-张参数的统计与优化方法,总结了各方法的适用性。针对邓肯-张E-B模型参数K和n,以切线模量的表达式推导了偏应力的反推公式,提出分步优化方法。借助Microsoft Excel的VBA程序编制反推公式的函数并绘制反推曲线,借助规划求解工具,分别以上述公式中a、b和K、n为可变单元,以反推曲线与室内三轴试验曲线差值平方和最小为目标函数,进行分步优化,规划求解得优化参数K、n。引入了PFC2D颗粒流程序,通过内嵌FISH语言,编制了模拟双轴压缩试验的程序,并通过宏观与细观参数间的换算及大量的试算调整,合理的模拟了堆石料的试验曲线。通过PFC2D程序对试样尺寸进行放大,得到接近实际堆石料的尺寸,将变尺后的轴应变-体应变曲线通过土工试验规程规范方法反演求得参数Kb和m。基于Microsoft Excel的VBA二次开发语言,编制了统计及优化邓肯-张模型参数的自动计算程序。用两种方法优化后的糯扎渡Ⅰ区堆石料邓肯-张参数K为1421,n为0.455,Kb为986.5,m为0.185;Ⅱ区堆石料邓肯-张参数K为1068,n为0.44,Kb为734.5,m为0.12。通过糯扎渡实例,建立三维仿真模型,运用优化所得参数分析大坝主堆石区应力变形,其结果与大坝实测资料较吻合,验证了本文所提出邓肯一张参数优化方法的合理性和可行性。
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