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渗流场和应力场是岩土工程力学环境中的最重要组成部分之一,二者之间是相互联系、相互作用的。目前,在对土石坝的研究工作中,渗流分析和应力分析都是分开单独计算的,很少注重二者之间的耦合分析研究。在此情况下,把渗流场和应力场作为一个系统,探讨渗流场和应力场的耦合问题,是十分有必要的。在总结前人工作的基础上,本论文进行了土石坝渗流与应力场的耦合分析,取得的主要研究成果如下:
1.探讨了渗流场和应力场的耦合机理,针对应力场对土体孔隙率的影响、渗流场引起的应力场变化等进行了量化分析;探讨了考虑应力场变化影响的渗透系数计算方法;考虑渗流场和应力场的相互作用,得到岩土介质渗流场和应力场耦合的数学模型,以及考虑两场耦合作用的有限元计算格式。
2.对稳定渗流程序SEEP2进行了改进,将其结果输出部分增加结点的水力梯度和渗流体积力,为渗流场作用下的应力场耦合计算提供荷载条件。
3.以土体孔隙率作为桥梁,推导出了土体渗透系数与其体积应变之间的数学表达式;对土石坝平面非线性有限元分析程序FEACD进行了改进,添加了由土体的应变求渗透系数的子程序,计算出受土体应变影响的新渗透系数,以便于进行应力场作用下的渗流场的相关计算。
4.结合南水北调东线东湖水库工程,利用渗流场和应力场耦合的数学模型以及有限元程序,进行了稳定渗流场和应力场的耦合计算,并对渗流场、位移场和应力场的计算成果进行了分析。