冲刷损伤混凝土挡墙性能有限元分析

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发布时间：2021-11-20

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[摘要]在试验研究的基础上运用有限元软件对片石混凝土挡墙进行建模分析，讨论了冲刷侵蚀深度、位
置与高度对片石混凝土挡墙力学性能以及破坏形态的影响规律.研究结果表明:冲刷深度大小对片石混凝土挡墙
的影响最为明显，冲刷深度越大,挡墙性能下降越大:相对地，冲刷侵蚀位置与侵蚀高度的影响较小，可以忽略不
计。在验证了有限元分析正确性的基础上，本文还考虑了尺寸效应的影响，建立了足尺结构模型进行模拟与分
析，研究结果可为片石混凝土挡墙的设计与损伤评估提供参考。
[关键词]片石混凝土;挡土墙;冲刷;有限元
[中图分类号] TU476.4
[文献标识码] B
[文章编号] 1001 - 6864(2015)08 -0113 -03
片石混凝土挡墙在边坡、公路、水利、水电等工程
表1
有限元模拟试件参数
mm
建设中被广泛应用,其中在河流堤坝等水利工程中最
侵蚀侵蚀侵蚀
为常见。然而片石混凝土在长期的流水作用下，易发
试件编号
侵蚀侵蚀侵蚀
试件编号
深度位置高度
生冲刷侵蚀"，然而侵蚀后挡墙服役性能的研究目前
探度位置高度
较少。此外，片石混凝土挡墙通常尺寸较大，建造工程
e0-a
000
e-3-10-a
100 440 100
量大,不便于在实验室对不同的影响参数进行大量测
e-1-5-
50 240 100 el. 5-10-a
100 290 100
试,在这种情况下,运用有限元软件进行建模分析就显
e-1-10-a
100 240 100 -2.5-10-a 100 390 100
得十分经济且高效，若能选取合适的数值模型，就能较
-1-15a 150 240 100 -1-10-15- 100 240 150
为准确地反映测试对象的各项性能，为工程的设计与
e-1-7.54 75 240 100
-1-10-20-4
100 240 200
评估提供参考与帮助3)。因此，本文参照模型试验
-1-12.5-4 125 240 10
--15-15-5
的结果“1,运用有限元软件对片石混凝土挡墙进行数
e-2-10-a
100 340 10
-1-15-20-4
150 240 200
值模拟,控制多组参数，研究冲刷侵蚀深度、侵蚀位置
2数值模拟结果
以及侵蚀高度对片石混凝土挡墙性能的影响，并在此
图1示出了侵蚀前后挡土墙中最大应力分布云
基础上建立足尺结构模型，研究尺寸效应的影响。
图。有限元模拟结果表明无论侵蚀深度、侵蚀高度与
1模拟参数设置
侵蚀位置如何变化，墙体最大应力区均为底座与墙背
本文采用大型通用有限元软件Ansys进行建模分
析,模型尺寸与模型试验试件一致。混凝土单轴应力
应变关系上升段采用GB50010 - 2002规定的公式，屈
服后为水平段，不考虑压碎，弹性模量E。=3 x
10'MPa,泊松比日。=0.2,模型为多线性等向强化模型
(MISO);单元采用Solid65 单元，单元尺寸40mm x
(a)完整试件
(b)侵蚀试件
40mmx40mm,扫描网格划分;模型底部自由度全部约
图1最大应力云图
束，模型背面顶端施加位移加载。求解时考虑大变形，
位移收敛准则，收敛误差5%。计算结束后提取试件
顶部反力作为施加荷载，并提取顶部水平位移，作荷载
一位移曲线。绘制试件裂缝分布矢量图和试件破坏前
应力云图。
数值模型的具体设计参数见表1,其中侵蚀深度
为侵蚀内表面至墙面距离，侵蚀位置为侵蚀下表面至
(a)完整试件
(b)侵蚀试件