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膠凝砂礫石壩壩料力學性能與結構設計 版權信息
- ISBN：9787030689481
- 條形碼：9787030689481 ; 978-7-03-068948-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
膠凝砂礫石壩壩料力學性能與結構設計 內容簡介
本書首先介紹了膠凝砂礫石壩發展概況，詳細描述了膠凝砂礫石料力學特性試驗結果，著重研究了膠凝砂礫石料本構關系，進而從多個方面研究了膠凝砂礫石壩工作性態，在此基礎上，開展了膠凝砂礫石壩結構設計及其優化設計研究工作。本書是當前系統反映膠凝砂礫石壩料力學性能、壩料本構關系、膠凝砂礫石壩工作性態及結構設計方面專著，既有詳細的理論方法內容，又有一定工程應用實例，是典型的理論聯系實際的著作，且具有重要的參考應用價值。
膠凝砂礫石壩壩料力學性能與結構設計 目錄
目錄
序 Ⅰ
前言 Ⅲ
第1章 緒論 1
1.1 膠凝砂礫石壩的特點及發展 1
1.1.1 肢凝砂礫石壩的特點 1
1.1.2 肢凝砂礫石壩的發展 2
1.2 膠凝砂礫石料力學特性研究進展 8
1.2.1 靜力特性 8
1.2.2 動力特性 9
1.2.3 熱力學特性 9
1.2.4 蠕變特性 10
1.2.5 滲透溶蝕性能 10
1.3 膠凝砂礫石料本構模型研究進展 11
1.3.1 靜力本構模型 11
1.3.2 動力本構模型 12
1.3.3 蠕變本構模型 12
1.4 膠凝砂礫石壩結構分析研究進展 13
1.4.1 靜力分析 13
1.4.2 動力分析 13
1.4.3 溫度場數值模擬 15
1.4.4 蠕變性能數值模擬 15
1.5 膠凝砂礫石壩結構設計研究進展 16
1.5.1 斷面設計 16
1.5.2 斷面優化設計 17
1.6 本書內容及組織構架 17
第2章 膠凝砂礫石料力學特性試驗 19
2.1 膠凝砂礫石料及其試驗概述 19
2.1.1 原材料 19
2.1.2 試驗概述 20
2.2 膠凝顆粒料強度試驗 22
2.2.1 抗壓強度試驗 22
2.2.2 抗折強度試驗 24
2.3 膠凝顆粒料三軸試驗 26
2.3.1 三軸試驗設計 26
2.3.2 試驗結果分析 30
2.3.3 強度特性 41
2.3.4 變形特性 45
2.4 動三軸試驗 58
2.4.1 動三軸試驗概述 58
2.4.2 膠凝砂礫石料動力特性 58
2.5 膠凝砂礫石料蠕變試驗 64
2.5.1 試驗概述 64
2.5.2 單軸蠕變試驗 65
2.5.3 結果分析 66
2.6 膠凝砂礫石料熱力學特性試驗 67
2.6.1 試驗概述 68
2.6.2 試驗結果分析 70
2.7 小結 72
第3章 膠凝砂礫石料本構模型 73
3.1 膠凝砂礫石料力學特性總結 73
3.2 膠凝砂礫石料非線性彈性本構模型 74
3.2.1 非線性彈性本構模型概述 74
3.2.2 非線性模型 75
3.3 膠凝砂礫石料彈塑性本構模型 85
3.3.1 彈塑性本構基本理論 85
3.3.2 彈塑性本構模型 89
3.3.3 膠凝砂礫石料彈塑性本構模型的可拓展性 114
3.4 膠凝砂礫石料動力本構模型 115
3.4.1 動彈性模量 115
3.4.2 阻尼比 118
3.4.3 模型參數的確定 119
3.4.4 模型驗證 119
3.5 膠凝砂礫石料蠕變本構關系 120
3.5.1 二維蠕變模型 120
3.5.2 三維蠕變模型 129
3.5.3 模型參數的確定與驗證 136
3.6 膠凝砂礫石料絕熱溫升模型 140
3.6.1 絕熱溫升模型 140
3.6.2 模型的適用性分析 141
3.7 小結 143
第4章 膠凝砂礫石壩結構工作性態 144
4.1 靜力工作性態 144
4.1.1 基本理論與方法 144
4.1.2 大壩靜力工作性態數值模擬 145
4.1.3 不同因素影響下的大壩工作性態 152
4.1.4 肢凝砂碎石料彈塑性本構模型的可拓展性 162
4.2 膠凝砂礫石壩動力結構抗震 166
4.2.1 基本理論及方法 166
4.2.2 計算模型 169
4.2.3 計算參數 171
4.2.4 模態分析 172
4.2.5 動力響應特性 175
4.2.6 肢凝砂礫石壩抗震性能評價 185
4.3 膠凝砂礫石壩長期變形預測 187
4.3.1 計算模型及材料參數 187
4.3.2 計算結果與分析 187
4.4 膠凝砂礫石壩溫度應力工作性態 191
4.4.1 基本理論與方法 191
4.4.2 算例 201
4.5 小結 225
第5章 膠凝砂礫石壩結構設計及其優化 227
5.1 膠凝砂礫石壩結構設計 227
5.1.1 設計原則 227
5.1.2 設計方法 228
5.1.3 工程設計案例 233
5.2 膠凝砂礫石壩結構優化設計 237
5.2.1 結構優化設計原理與方法 237
5.2.2 結構優化設計案例 240
5.3 小結 262
第6章 總結與展望 263
6.1 總結 263
6.2 展望 264
參考文獻 266
序 Ⅰ
前言 Ⅲ
第1章 緒論 1
1.1 膠凝砂礫石壩的特點及發展 1
1.1.1 肢凝砂礫石壩的特點 1
1.1.2 肢凝砂礫石壩的發展 2
1.2 膠凝砂礫石料力學特性研究進展 8
1.2.1 靜力特性 8
1.2.2 動力特性 9
1.2.3 熱力學特性 9
1.2.4 蠕變特性 10
1.2.5 滲透溶蝕性能 10
1.3 膠凝砂礫石料本構模型研究進展 11
1.3.1 靜力本構模型 11
1.3.2 動力本構模型 12
1.3.3 蠕變本構模型 12
1.4 膠凝砂礫石壩結構分析研究進展 13
1.4.1 靜力分析 13
1.4.2 動力分析 13
1.4.3 溫度場數值模擬 15
1.4.4 蠕變性能數值模擬 15
1.5 膠凝砂礫石壩結構設計研究進展 16
1.5.1 斷面設計 16
1.5.2 斷面優化設計 17
1.6 本書內容及組織構架 17
第2章 膠凝砂礫石料力學特性試驗 19
2.1 膠凝砂礫石料及其試驗概述 19
2.1.1 原材料 19
2.1.2 試驗概述 20
2.2 膠凝顆粒料強度試驗 22
2.2.1 抗壓強度試驗 22
2.2.2 抗折強度試驗 24
2.3 膠凝顆粒料三軸試驗 26
2.3.1 三軸試驗設計 26
2.3.2 試驗結果分析 30
2.3.3 強度特性 41
2.3.4 變形特性 45
2.4 動三軸試驗 58
2.4.1 動三軸試驗概述 58
2.4.2 膠凝砂礫石料動力特性 58
2.5 膠凝砂礫石料蠕變試驗 64
2.5.1 試驗概述 64
2.5.2 單軸蠕變試驗 65
2.5.3 結果分析 66
2.6 膠凝砂礫石料熱力學特性試驗 67
2.6.1 試驗概述 68
2.6.2 試驗結果分析 70
2.7 小結 72
第3章 膠凝砂礫石料本構模型 73
3.1 膠凝砂礫石料力學特性總結 73
3.2 膠凝砂礫石料非線性彈性本構模型 74
3.2.1 非線性彈性本構模型概述 74
3.2.2 非線性模型 75
3.3 膠凝砂礫石料彈塑性本構模型 85
3.3.1 彈塑性本構基本理論 85
3.3.2 彈塑性本構模型 89
3.3.3 膠凝砂礫石料彈塑性本構模型的可拓展性 114
3.4 膠凝砂礫石料動力本構模型 115
3.4.1 動彈性模量 115
3.4.2 阻尼比 118
3.4.3 模型參數的確定 119
3.4.4 模型驗證 119
3.5 膠凝砂礫石料蠕變本構關系 120
3.5.1 二維蠕變模型 120
3.5.2 三維蠕變模型 129
3.5.3 模型參數的確定與驗證 136
3.6 膠凝砂礫石料絕熱溫升模型 140
3.6.1 絕熱溫升模型 140
3.6.2 模型的適用性分析 141
3.7 小結 143
第4章 膠凝砂礫石壩結構工作性態 144
4.1 靜力工作性態 144
4.1.1 基本理論與方法 144
4.1.2 大壩靜力工作性態數值模擬 145
4.1.3 不同因素影響下的大壩工作性態 152
4.1.4 肢凝砂碎石料彈塑性本構模型的可拓展性 162
4.2 膠凝砂礫石壩動力結構抗震 166
4.2.1 基本理論及方法 166
4.2.2 計算模型 169
4.2.3 計算參數 171
4.2.4 模態分析 172
4.2.5 動力響應特性 175
4.2.6 肢凝砂礫石壩抗震性能評價 185
4.3 膠凝砂礫石壩長期變形預測 187
4.3.1 計算模型及材料參數 187
4.3.2 計算結果與分析 187
4.4 膠凝砂礫石壩溫度應力工作性態 191
4.4.1 基本理論與方法 191
4.4.2 算例 201
4.5 小結 225
第5章 膠凝砂礫石壩結構設計及其優化 227
5.1 膠凝砂礫石壩結構設計 227
5.1.1 設計原則 227
5.1.2 設計方法 228
5.1.3 工程設計案例 233
5.2 膠凝砂礫石壩結構優化設計 237
5.2.1 結構優化設計原理與方法 237
5.2.2 結構優化設計案例 240
5.3 小結 262
第6章 總結與展望 263
6.1 總結 263
6.2 展望 264
參考文獻 266
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膠凝砂礫石壩壩料力學性能與結構設計 節選
第1章 緒論 膠凝砂礫石壩，作為近幾十年來在總結傳統面板堆石壩與碾壓混凝土壩優特點的基礎上發展起來的一種新壩型，是通過在壩址附近河床或山區的天然砂礫石、廢棄石料、碎石等石料中，添加少量膠凝劑、水，經拌和后，運抵施工倉面，攤鋪、碾壓而成的。它具有斷面小、用料省、施工快速、導流方便、地基適應性強、抗震性能好、經濟環保等優勢，已在水電工程建設中得到了一些應用。該筑壩技術*大限度地利用了河床砂礫石及開挖廢棄石料，可減輕水利樞紐對周圍環境的破壞以及其他一些不利因素的影響，能在一定程度上降低工程總成本，是一種經濟、環保的水工建筑物。 本章主要介紹膠凝砂礫石壩的特點及發展，膠凝砂礫石料力學性質、本構模型，膠凝砂礫石壩結構性能分析及結構設計等研究進展，并概要介紹本書內容及組織構架。 1.1 膠凝砂礫石壩的特點及發展 1.1.1 膠凝砂礫石壩的特點 2013年8月，在美國西雅圖召開的第81屆國際大壩委員會年會上，表決成立了膠結顆粒料壩專委會，旨在推廣以膠凝砂礫石壩為代表的膠結顆粒料筑壩新理念，并促進該新型筑壩技術總結、應用以及推廣。 在中華人民共和國水利部2014年發布的《膠結顆粒料筑壩技術導則》（SL 678—2014）［1］中，膠凝砂礫石壩被認為屬于膠結顆粒料壩，強調“宜材適構、宜構適材”的理念。該筑壩技術擴大了壩型選擇范圍，放寬了筑壩條件，豐富了以土石壩、混凝土壩、砌石壩等為主的筑壩技術體系。 膠凝砂礫石壩斷面形狀通常為梯形，已有研究成果表明，該壩具有良好的適應性、較高的安全性與經濟性。相較于面板堆石壩與碾壓混凝土壩，膠凝砂礫石壩具有自身的特點［2］。與面板堆石壩相比，它主要體現在以下幾個方面。 （1）膠凝砂礫石壩斷面綜合坡比一般僅占面板堆石壩坡比的50%，其斷面小于堆石壩斷面，總體填筑方量顯著減少。 （2）砂礫石筑壩材料中摻入了膠凝劑，碾壓后形成的膠結體壩料具有較高的抗剪、抗壓強度，壩體表層及內部的抗沖蝕能力得到提升，施工期可允許臨時過水，有利于降低施工導流標準；遭遇超標準洪水，亦可依靠壩體材料強度，降低大壩結構的漫頂速潰風險。 （3）與普通碾壓堆石相比，膠凝砂礫石料變形模量較高，通常可達到堆石的10~100倍，可減小壩體變形，有利于改善防滲面板和接縫的工作性態，有效降低上游防滲體系失效風險。 （4）面板堆石壩修筑時一般設置主堆、次堆、反濾等分區，而膠凝砂礫石壩分區少。 （5）與堆石料、碾壓混凝土相比，膠凝砂礫石料對級配要求較低。 膠凝砂礫石壩與碾壓混凝土壩的主要區別如下。 （1）壩體防滲完全依靠防滲面板或變態膠凝砂礫石防滲體，壩體無防滲要求； （2）膠凝砂礫石壩通常應用對稱斷面，壩體內部整體應力水平低，對筑壩材料強度的要求較低，因而可放寬骨料選擇范圍，充分利用河床砂礫石、開挖石料，減少棄料，有利于環保； （3）膠凝砂礫石壩斷面大于碾壓混凝土壩，壩體底部應力分布更加均勻且應力水平較低，對基礎的強度要求較低，大壩對基礎的適應能力增強，壩體穩定性、抗震性能得到提高； （4）壩料水泥摻量少，絕熱溫升低，溫度效應小，一般無須采用專門的溫控措施，可簡化施工工藝，使施工更加簡便、快速。 正是上述諸多優勢，促進了膠凝砂礫石壩的建設與發展。 1.1.2 膠凝砂礫石壩的發展 1）國外發展概述 在1970年于美國加利福尼亞州召開的“混凝土快速施工會議”上，Raphael 分析了堆石體材料與常規混凝土材料物理力學性質的差異，率先提出通過摻入水泥提高散粒料的抗剪強度，使用高效的土料運輸和碾壓設備進行壩體施工，從而獲得一種新型“*優重力壩”，其剖面介于重力壩與堆石壩之間，壩料性能也介于混凝土和堆石料之間，形成了膠凝砂礫石壩的雛形。1972年，Cannon提出的“用土料壓實的方法建造混凝土壩”設想，本質上是膠凝砂礫石壩思想的進一步發展。1973年在第11屆國際大壩會議上，A.I.B.Moffat建議將路基上使用的貧漿混凝土用于修筑混凝土壩，并用筑路機械壓實，實現快速施工。上述研究工作對膠凝砂礫石壩概念內涵的形成起到了積極引導作用［3］。 1974年，美國加州大學伯克利分校的Johnson將膠凝砂礫石壩思想應用于巴基斯坦Tarbela壩的泄洪洞修復工程，設計了一種未篩洗砂礫石與少量水泥的拌和料，用于修復泄洪洞被沖毀的部位，并在42天內完成了35萬m3的填筑量，此料被稱為Rollcrete材料。實踐表明，此種材料具有適宜的強度、耐久性及施工速度的優勢。 1982年，美國俄勒岡州建成的柳溪（Willow Creek）壩，是世界上**座壩體內部采用超貧碾壓混凝土的重力壩，其內部碾壓混凝土的膠凝摻量僅為66kg/m3。大壩內部水泥用量少，水化熱溫升低，壩體彈性模量也較低，因此，整個大壩未分橫縫，而是采用30cm厚的薄層進行鋪筑、碾壓。該壩中33.1萬m3碾壓混凝土的澆筑在5個月內完成，比常態混凝土重力壩縮短工期1~1.5年，造價僅為常態混凝土重力壩的40%，相當于堆石壩的60%。柳溪壩的成功修建為膠凝砂礫石筑壩積累了實踐經驗。 1988年，法國學者Londe對前人的筑壩思想進行了進一步剖析，并在第16屆國際大壩會議上建議用貧膠混凝土作為筑壩材料，并將當前碾壓混凝土級配要求適當降低。他結合上、下游壩坡比為1：0.70~1：0.75的假想壩分析了壩體應力特征，指出此類壩的斷面大、應力小、材料要求低、筑壩成本低等特點。1992年，他又發表了《對稱硬填方面板壩》的論文，指出這種剖面對稱體型的新壩型不僅成本低，還具有更高的安全度，為人們更好地了解此類大壩結構特點發揮了重要作用［4］。 希臘是膠凝砂礫石壩實踐的先行者，1992年建成了壩高25m的Mykonos Ⅰ壩，1993年建成了壩高28m的Marathia壩，1997年建成了壩高32m的Ano Mera壩，上述三座大壩均為對稱梯形斷面，斷面上、下游坡比均為1：0.5。圖1.1為Ano Mera壩斷面圖，上游面做防滲處理，下游面采用階梯形。筑壩材料主要來源于河床和壩址附近，骨料*大粒徑為60mm，膠凝劑為粉煤灰和水泥，合計70kg/m3（其中粉煤灰含量20%），容重為2300~2400kg/m3，7d、28d、90d的強度分別為3MPa、4MPa、5MPa，碾壓層厚在200~300mm。此后，希臘于2003年建成32m高的Steno壩，2009年又建成了3座同類型大壩，分別是壩高32m的Lithaios壩、壩高56m的Valsamiotis壩以及壩高95m的Platanoaryssi壩，2010年建成42m高的Koris Yefiri壩。 圖1.1 希臘Ano Mera膠凝砂礫石壩斷面圖 日本壩工界自20世紀90年代起開始，投入大量人力、物力和財力，研究膠凝砂礫石筑壩技術，并稱這種新壩型筑壩材料為CSG（cemented sand and gravel）。1999年采用CSG修建了**座**性建筑物——Nagashima水庫攔沙壩；2002年建成了Haizuka水庫攔沙壩；2004年建成Taiho壩。2007年9月，日本大壩工程中心公布了《梯形膠凝砂礫石壩施工與質量控制工程手冊》，標志著日本膠凝砂礫石壩建設形成了自己的特色。隨后，日本又與2012年建成壩高52.4m的Tobetsu壩，2013年建成Okukubi壩。此外，日本修建的膠凝砂礫石壩還有Sanru壩（46.0m）、Honmyogawa壩（64.0m）、Mikasapombetsu壩（53.0m）、Choukai壩（81.0m）、Apporo壩（47.2m）等，截至目前成為完建與擬建此類工程*多的國家。 土耳其是將膠凝砂礫石筑壩技術應用于高壩的國家，2007年完建的Beydag壩及2010年完建的Oyuk壩高度均達到100m。2008年完建的Cindere壩（圖1.2）高度達到107m，是世界上已建的*高膠凝砂礫石壩。Cindere壩壩體采用對稱的梯形結構，壩頂長280.58m，寬10m，上、下游壩面坡比為1：0.7。壩體每20m設置一個垂直縫。大壩只在上游面設置防滲面板和排水系統，防滲面板是混凝土面板加聚氯乙烯（PVC）膜防滲，在PVC膜后設置滲漏收集管道，集中到上游面板后的排水管道中。壩料膠凝劑為50kg/m3水泥（強度為42.3MPa）和20kg/m3的粉煤灰。大壩施工共用了150萬m3的膠凝堆石料和18萬m3的常規混凝土。 圖1.2 土耳其Cindere壩 此外，法國、多米尼加、菲律賓、伊朗、美國、老撾等國家也應用膠凝砂礫石料進行筑壩，為膠凝砂礫石筑壩技術發展總結了更多的經驗。表1.1列出了一些利用膠凝砂礫石筑壩技術建造的國外工程實例。 表1.1 國外的膠凝砂礫石工程 2）國內發展概述 國內壩工界對膠凝砂礫石壩這一新壩型的構想大體上與國外是同步的。1970年，林一山先生提出一種由迎水面相對不透水防滲墻與后部體型肥胖的低膠結堆石體組成的結構型式。該類壩的體積介于土石壩與混凝土重力壩之間，筑壩材料的水泥摻量也在兩者之間，其實質上就是膠凝面板堆石壩早期構型。 20世紀80年代中后期，我國碾壓混凝土壩、混凝土面板堆石壩建設進入了快速發展期。壩工界關注重點主要是傳統的混凝土壩、碾壓混凝土壩以及混凝土面板堆石壩，對膠凝砂礫石壩的關注極少。隨著面板堆石壩建設高度的增加，該類壩面板與趾板之間的不均勻變形問題日益突出。1993年，郭誠謙探討了在堆石壩壩體下部高應力區摻加水泥的堆石料，以減少200m級大壩周邊縫處面板與趾板間較大的不均勻變形問題，膠凝砂礫石料的應用再次在壩工界得到關注。
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