160土质边坡稳定分析一原理·方法程序 2.比奧固结分析有限元程序CON2D CON2D是一个用于分析饱和土及非饱和土的应力、位移和孔压的平面应变有限元程序 它求解土体渗流和变形耦合的固结问题,能计算土体在排水、部分排水或完全排水条件下的 变形和孔隙水压力。COND可用于模拟坝体施工期、蓄水期直至稳定渗流情况下的固结过 程以及地基土在回填、建筑物荷载以及储油罐等外力作用下的固结过程。此外,它还能够模 拟开挖过程以及支撑结构的设置和撤除。并可以利用杆单元来模拟加筋土结构以及利用梁单 元来模拟防渗墙等结构 COND程序最初由 Chang和 Duncan于1977年用 Fortran语言编制,其后历经多次 改进:1981年 Duncan, Orazio, Chang, Wong and Nami,1987年 Schaefer and Duncan,1990年 Orazio分别进行了改进工作。 中国水利水电科学研究院对CON2D的源代码进行了大量的分析和测试工作,改正了源 代码中一些产生重要影响的错误(陈祖煜,1985)。这些修正获得了程序编者 Duncan教授本 人的确认,并且在CON2D版本中加入了相应这些修正的源代码,并在注释行中注明系由本 书作者提供。改进后的CON2D能够执行以下功能: 1)进行大规模高效率的有限元计算; 2)提供多种本构模型供实际工程选用; 3)模拟施工、蓄水过程及其后水位涨落变化; 4)对各级荷载按均分比例进行加载 5)按双线法计算浸水湿化变形 6)处理施工及蓄水过程中复杂的边界条件; 7)模拟坝体内部细砂砾石排水层的设置 8)模拟混凝土防渗墙与周围土体的接触特性等 经过多次改进和修正后,CON2D具有如下功能特点 (1)在计算模型及单元类型上,CON2D用于平面应变计算,块体单元类型为四边形等 参单元及退化的三角形单元。单元结点数目可设置为4~8个。接触面单元为两结点单元。 (2)在材料应力应变关系上,材料应力应变关系模型包括:线弹性模型,邓肯一张的E B模型、修正剑桥模型以及刚塑性接触面模型 (3)在非线性有限元方法上,程序采用工程中应用最广泛的中点增量法进行非线性计 算。对每一个荷载増量,程序进行两次计算,利用中点应力状态确定模量矩阵。对每个荷载 增量,还可按比例划分为若干微增量进行加载,使得对施工过程的模拟更为准确。 (4)在存储机制上,程序采用动态内存分配机制,根据计算规模自动确定内存需求量并 进行动态分配。数据交换文件采用二进制格式保证高速读写操作。 3.工程应用实例之 小浪底大坝心墙施工期孔隙水压 小浪底水利枢纽工程位于黄河中游最后一段峡谷的出口处,上距三门峡大坝130km。拦 河大坝为壤土斜心墙堆石坝,设计最大坝髙154m。心墙由粉质壤土组成,防滲墙顶端设有 高塑性士区,坝壳由堆石体组成。河床段坝基处于深厚砂砾石之上。大坝典型剖面详见图 65,建立平面有限元模型如图66。160 土质边坡稳定分析 原理 ⋅ 方法 ⋅ 程序 2. 比奥固结分析有限元程序 CON2D CON2D 是一个用于分析饱和土及非饱和土的应力 位移和孔压的平面应变有限元程序 它求解土体渗流和变形耦合的固结问题 能计算土体在排水 部分排水或完全排水条件下的 变形和孔隙水压力 CON2D 可用于模拟坝体施工期 蓄水期直至稳定渗流情况下的固结过 程以及地基土在回填 建筑物荷载以及储油罐等外力作用下的固结过程 此外 它还能够模 拟开挖过程以及支撑结构的设置和撤除 并可以利用杆单元来模拟加筋土结构以及利用梁单 元来模拟防渗墙等结构 CON2D 程序最初由 Chang 和 Duncan 于 1977 年采用 Fortran 语言编制 其后历经多次 改进 1981 年 Duncan, Orazio, Chang, Wong and Namiq, 1987 年 Schaefer and Duncan, 1990 年 Orazio 分别进行了改进工作 中国水利水电科学研究院对 CON2D 的源代码进行了大量的分析和测试工作 改正了源 代码中一些产生重要影响的错误 陈祖煜 1985 这些修正获得了程序编者 Duncan 教授本 人的确认 并且在 CON2D 版本中加入了相应这些修正的源代码 并在注释行中注明系由本 书作者提供 改进后的 CON2D 能够执行以下功能 1) 进行大规模高效率的有限元计算 2) 提供多种本构模型供实际工程选用 3) 模拟施工 蓄水过程及其后水位涨落变化 4) 对各级荷载按均分比例进行加载 5) 按双线法计算浸水湿化变形 6) 处理施工及蓄水过程中复杂的边界条件 7) 模拟坝体内部细砂砾石排水层的设置 8) 模拟混凝土防渗墙与周围土体的接触特性等 经过多次改进和修正后 CON2D 具有如下功能特点 (1) 在计算模型及单元类型上 CON2D 用于平面应变计算 块体单元类型为四边形等 参单元及退化的三角形单元 单元结点数目可设置为 4 8 个 接触面单元为两结点单元 (2) 在材料应力应变关系上 材料应力应变关系模型包括 线弹性模型 邓肯 张的 E B 模型 修正剑桥模型以及刚塑性接触面模型 (3) 在非线性有限元方法上 程序采用工程中应用最广泛的中点增量法进行非线性计 算 对每一个荷载增量 程序进行两次计算 利用中点应力状态确定模量矩阵 对每个荷载 增量 还可按比例划分为若干微增量进行加载 使得对施工过程的模拟更为准确 (4) 在存储机制上 程序采用动态内存分配机制 根据计算规模自动确定内存需求量并 进行动态分配 数据交换文件采用二进制格式保证高速读写操作 3. 工程应用实例之一——小浪底大坝心墙施工期孔隙水压[25] 小浪底水利枢纽工程位于黄河中游最后一段峡谷的出口处 上距三门峡大坝 130km 拦 河大坝为壤土斜心墙堆石坝 设计最大坝高 154m 心墙由粉质壤土组成 防渗墙顶端设有 高塑性土区 坝壳由堆石体组成 河床段坝基处于深厚砂砾石之上 大坝典型剖面详见图 6.5 建立平面有限元模型如图 6.6