基于逾渗临界-随机场的大尺度岩基抗剪强度及重力坝可靠度研究

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混凝土重力坝岩基(包括基岩和胶结面)的整体稳定分析一直都是研究的热点问题。对于大尺度坝体岩基来说,所选择的抗剪断强度参数1)′和(8′的大小是否合理将直接影响到坝工建设的安全性和经济性,然而由于缺乏具有充分理论依据的计算方法,至今都是根据小尺度试块的抗剪试验成果并依赖经验与半经验的方法整理而得到的,因而受人为因素的影响较大。基于此,本文将随机场理论和逾渗临界理论相结合,研究同一地质单元内的大尺度岩基抗剪强度的理论计算公式,并采用数值模拟的方式进行验证。之后,针对目前重力坝抗滑稳定可靠度研究中基本上只是把1)′和(8′当作简单的随机变量来进行处理的不足,本文又对考虑小尺度抗剪断强度参数1)′和(8′空间变异性情况下的相关可靠度问题进行研究。全文的主要研究内容如下:(1)将随机场理论和逾渗临界理论相结合,研究大尺度岩基整体屈服与否时的临界现象和临界屈服条件,并在对大尺度材料内的小尺度弹性应力场均匀化的基础上,给出求解岩基宏观抗剪强度的理论控制方程组。(2)探讨小尺度材料参数的蒙特卡罗抽样方法及步骤,并根据不同类型的基岩以及基岩和混凝土接触面所对应的抗剪断强度统计参数的变化范围,建立一系列大尺度岩基的有限元模型,为进一步研究大尺度岩基的临界屈服概率和宏观抗剪强度奠定了基础。(3)基于有限元随机模拟的方法,首先通过“关系曲线转折点判断法”研究大尺度基岩整体屈服与否时的临界屈服概率和极限承载应力。然后,针对前面判断方法的不足,又提出一种“逾渗热流量分析法”,从逾渗机制的角度进行同样内容和方式的研究。之后,再分别以这两种判断方式推导出求解基岩宏观抗剪强度的理论计算公式,并与数值模拟结果进行比较,从而判断所推导的理论公式是否合理。(4)基于有限元随机模拟的方法,同样分别通过“关系曲线转折点判断法”和“逾渗热流量分析法”研究大尺度混凝土/岩体结构宏观地沿着胶结面发生剪切破坏时混凝土、岩体、胶结面各部分的抗剪强度统计参数的变化范围,并进一步研究混凝土/岩体结构在各部分(混凝土、岩体、胶结面)多种不同抗剪强度统计参数组合情况下整体屈服与否时各部分的临界屈服概率和模型整体的极限承载应力,然后分别以这两种判断方式推导出求解胶结面宏观抗剪强度的理论计算公式,并与数值模拟结果进行比较,从而判断所推导的理论公式是否合理。(5)基于随机场理论中的局部平局法和材料力学中的偏心受压公式,推导出考虑小尺度抗剪断强度参数1)′和(8′空间变异性的重力坝坝基面抗滑稳定可靠度功能函数和相应的各随机场单元之间的抗剪断强度参数相关系数矩阵,并采用几何法计算分析不同坝高方案的不同相关距离等其它条件下的可靠指标,得出一些具有意义的结论。
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