基于流固耦合的洛旺河大桥拱座岸坡稳定性分析研究

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库岸边坡失稳普遍存在于江河流域之中。由于水位频繁涨落,这种现象在库区尤为明显。岸坡失稳不仅会导致沿岸建筑物的破坏、造成生命财产的损失,也会破坏河道两岸的土地资源、影响通航条件。建设在库区的大跨径拱桥,其拱座常常需要设置在陡峭的库岸边坡上,岸坡长期处在河道水位升降的条件下,面临失稳的潜在风险。因此,开展库水位变化对拱座岸坡的稳定性影响研究具有重要意义。本文以贵州洛旺河特大桥为工程背景,在专项地质勘查的基础上结合相关理论进行数值模拟分析,分别针对桥梁建设前与建设后的岸坡开展基于流固耦合的稳定性研究。论文的主要工作如下:
  ①总结多孔介质渗流场-应力场的有限元耦合理论,归纳常用的边坡稳定性分析方法,将经典算例中的极限平衡法计算结果与文中ABAQUS的有限元强度折减法计算结果进行对比,验证ABAQUS计算方法的准确性;
  ②使用有限元软件MIDAS/Civil和ABAQUS分别建立合理的全桥模型和三维拱座-岸坡模型。采用两步有限元分析方法和有限元强度折减法分析水位因素对洛旺河大桥拱座岸坡稳定性的影响,包括稳态水位高度和瞬态升、降水速率。计算得到拱座岸坡在不同渗流工况下的渗流场、位移场、应力场、塑性区、流速场的分布情况,并分析各场变量的变化规律;
  ③从桥梁设计的角度出发,考虑水位变化引起的拱脚附加位移对主拱圈内力的影响,并对设计中拱脚附加位移的取值给出建议,为今后此类地质条件下的拱桥设计提供参考。同时,利用多元线性回归建立岸坡安全系数与水位变化速率及岸坡坡度的关系,并拟合为经验公式;
  ④研究水位因素对不含拱座的天然岸坡的影响。在有限元模型中除去拱座及其附属边界条件,研究稳态水位高度和瞬态升、降水速率对天然岸坡的稳定性及内力、变形的影响,对比有、无桥梁荷载的情况下岸坡呈现出的力学规律,分析总结桥梁荷载对岸坡的稳定性影响。
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