超高沥青混凝土心墙受力特性简便算法与改善措施研究

来源 :西安理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:RyanDay
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低中高沥青混凝土心墙堆石坝的发展已日臻成熟,随着我国“西部大开发”战略的推进和“一带一路”战略的实施,超高沥青混凝土心墙堆石坝建设迎来了前所未有的机遇,然而,目前既没有超高沥青混凝土心墙堆石坝的工程实践经验,也没有与之相适应的设计规范可供参考。鉴于此,提出超高沥青混凝土心墙受力特性简便算法,解决超高沥青混凝土心墙高剪应力和高拉应力问题,无疑具有重要的理论价值和工程应用前景。
  将沥青混凝土心墙简化为置于Winkler弹性地基上的三边固支一边自由(CCCF)矩形薄板,推求了无自重矩形薄板(小挠度弯曲问题)仅在横向荷载作用下的受力变形函数和有自重矩形薄板(小挠度弯曲问题+平面应力问题)在横向和纵向荷载联合作用下的受力变形函数,搭建了矩形薄板与梯形和任意形状沥青混凝土心墙之间的映射关系,将矩形薄板的受力变形映射到梯形和任意形状沥青混凝土心墙之上,建立了无自重梯形沥青混凝土心墙简化解析受力分析模型和有自重任意形状沥青混凝土心墙简化解析受力分析模型,探讨了超高沥青混凝土心墙受力变形特性。虽然前者能够快速简便地预估梯形沥青混凝土心墙受力变形特性,但适用条件相对苛刻;后者考虑了自重因素影响,能够快速全面地预估任意形状沥青混凝土心墙受力变形特性。
  将沥青混凝土心墙简化为置于Winkler弹性地基上的两端固支梁,基于直线型心墙(直线型心墙堆石坝的心墙)拉应力的产生机理,初步提出了降低直线型心墙拉应力的改善措施——曲线型心墙(曲线型心墙堆石坝的心墙),将直线型心墙简化为置于Winkler弹性地基上的两端固支直梁,构建了基于Winkler弹性地基直梁理论的直线型心墙简化解析受力分析模型;将曲线型心墙简化为置于Winkler弹性地基上的两端固支曲梁,构建了基于Winkler弹性地基曲梁理论的曲线型心墙简化解析受力分析模型,探讨了超高沥青混凝土心墙受力变形特性。前者能够快速简便地预估直线型心墙受力变形特性,后者能够快速简便地曲线型心墙受力变形特性,两种模型不仅利于揭示两种类型心墙受力的优缺点,而且也为提出新坝型提供理论依据。
  将沥青混凝土心墙简化为挡土墙,提出了有限位移条件下土压力理论,初步给出了有限位移条件下主动土压力和被动土压力的定义,将挡土墙土压力划分为4个临界点(主动极限平衡点、静止土压力状态点、主应力偏转点和被动极限平衡点)和5种状态(主动破坏状态、有限位移条件下主动土压力状态、主应力偏转前有限位移条件下被动土压力状态、主应力偏转后有限位移条件下被动土压力状态和被动破坏状态),探讨了超高沥青混凝土心墙受力特性,推算了独立满足和综合满足屈服剪切破坏控制标准的心墙材料参数取值范围,推荐了适宜建设超高沥青混凝土心墙堆石坝的心墙材料参数取值范围:φa≥28.5°和Ca≥0.30MPa(h=150m),且随坝高的增长梯度按2.5%和5.0%25m进行调整。
  根据沥青混凝土心墙的受力平衡条件,探索了超高沥青混凝土心墙高剪应力(高应力水平)的产生机理,基于应力水平的定义式,提出了降低超高沥青混凝土高应力水平的改善措施——增大心墙强度参数,考察了改善措施降低超高沥青混凝土心墙高应力水平的效果,推算了独立满足和综合满足屈服剪切破坏控制标准的最敏感材料参数(心墙强度参数)取值范围。超高沥青混凝土心墙的大沉降变形是产生高应力水平的根本原因,增大应力水平的定义式分母(增大心墙强度参数)能够有效地降低超高沥青混凝土心墙高应力水平,推荐适宜建设超高沥青混凝土心墙堆石坝的心墙强度参数取值范围:Rf≥0.75,C≥0.30MPa和φ≥28.5°(h=150m),且随坝高的增长梯度按5.0%,15.0%和5.0%/25m进行调整。
  根据拱形结构(曲线型心墙)的特殊传力机制——拱作用,提出了降低超高沥青混凝土心墙高拉应力的改善措施——直坝曲心墙坝型和曲坝曲心墙坝型,考察了两种新坝型降低超高沥青混凝土心墙高拉应力的效果,探讨了两种新坝型实施的可行性,推荐了适宜建设超高沥青混凝土心墙堆石坝的最优坝型和心墙曲率取值范围。虽然直坝曲心墙坝型能够减小心墙拉应力,但心墙曲率受坝顶宽度的限制,改善效果不是特别理想。曲坝曲心墙坝型能够降低心墙拉应力,而且心墙曲率不受坝顶宽度的限制,改善效果非常显著。推荐适宜建设超高沥青混凝土心墙堆石坝的坝型是曲坝曲心墙坝型(特别是对心墙拉应力接近或者超过其抗拉强度的特殊情况),且建议心墙曲率取值范围:k≥1.0×10-3(h=200m)。
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