《渠化工程》第6章-船闸水工建筑物(4-6节)

1、第六章 船闸结构计算(4-7)第四节 船闸闸首结构第五节 引航道上的建筑物第六节 船闸的防渗与排水第七节 船闸结构有限元分析(自学） 第四节 船闸闸首结构一、闸首结构布置与构造二、整体式闸首计算三、分离式闸首计算一、闸首结构布置与构造1. 闸首结构布置闸首由墩墙和底板所构成。布置及尺寸与所选用的闸门型式、输水系统及有无帷墙等有密切关系。船闸闸首一般设有输水廊道、闸门、阀门、闸阀门启闭机械及其相应的设备等。 闸首结构按其受力状态：整体式结构和分离式结构。 在土基上：为避免由于边墩不均匀沉降而影响闸门正 常工作，一般采用整体式闸首结构； 岩基上：可采用分离式结构； 当岩石较完整时，可不设底板，只有

2、当岩石裂隙较多或岩石较软弱时，才考虑加设底板或护底必要时也可采用整体式结构。6-20 船闸闸首一号船闸上闸首2闸首结构尺度确定 闸首在长度( 顺水流)方向上一般由3段组成.(1)门前段长度l 1门前段长度l1，主要根据工作闸门形式、检修门尺度、门槽构造及检修要求确定。检修门槽设于闸首外与导墙接缝时，门前段的长度最小，一般为1.0m左右。检修门槽设于闸首内:L=12+C(米),C为检修门槽宽在设置检修门槽不增加闸首长度的情况下，应尽量使检修门槽布置在 首范围内。 (2)门龛段长度l2 人字闸门 横拉闸门 三角闸门 平面闸门 人字闸门其门龛段长度l2为 (6-61)式中：Bc闸首的口门宽度(m)；

3、 d 门龛深度(m)，一般为门厚加0.40.8m； 闸门与船闸横轴线的夹角，一般取2022.5。为便于安置横梁和门底止水，保证闸门在任何位置时均能检查和修理底部止水，门下的自由空间高度一般不小于0.5-0.6m。横拉闸门 横拉闸门的门槽宽度，主要由门厚、上下游支承木的厚度及闸墩楔形支承厚度组成： l2=h+2(0.2+0.25) (6-62)式中：h横拉门厚度(m)。支承木厚度取0.2m楔形支承厚度取0.25m。 矩形横拉门的厚跨比一般在1/41/7之间。三角闸门三角闸门门库较大，其外形尺寸除要满足闸门尺度及构造要求外还应满足输水消能的要求。据已建船闸三角门门库尺度的统计，其门龛长度可取为：

4、l2=(0.50.7)Bc (6-63)平面闸门 平面闸门的门槽较小，主要视门体结构尺度而定。据已建船闸支持段尺度的统计，l3的变化幅度较大，其范围如下： l3(0.31.2) h (6-64) 或 l3(0.42.1) H式中：h边墩自由高度(m)； H设计水头(m)。（3)闸门支持段长度l3闸门支持段主要应满足结构稳定及强度的要求，并应考虑输水廊道进出口布置的要求。人字闸门的支持段长度，目前设计仍假定是在其独立工作条件下进行稳定和强度的验算确定的，因此需要有足够的长度。(4)闸首边墩宽度： 根据门龛深度； 廊道宽度； 阀门井尺度等因素确定据已建船闸的统计，边墩厚度一般取为23倍廊道宽度。边

5、墩的顶部宽度： 使用要求； 满足启闭机房； 交道通道； 管理及维修场地； 其他设备等的布置 为节省工程造价也可在闸首边墩顶部设悬臂加宽。闸首的边墩结构：土基上一般采用空箱式结构闸首底板厚 底板厚度可取等于（1/31/4.5）边墩的自由高度，但不应小于其净跨的（1/61/7），在粘性地基上取较大值，在砂性地基上可取小值。 倒拱底板的拱厚一般取为口门宽度的（1/151/20），矢跨比一般为（1/71/10）。倒拱底板对边墩的不均匀沉降、相对水平位移和转角相当敏感，边墩即使只产生较小的变位，也会使倒拱产生较大的附加内力。因此，倒拱底板一般用于地基条件好，边墩高度不大的闸首。二、整体式闸首计算 闸首结

6、构的计算简化： 闸首结构的计算系属空间问题，通常是将空间问题简化为平面问题，分段进行计算。 闸首结构的计算内容： 闸首结构稳定验算包括：整体抗滑、抗倾、抗浮、渗流稳定性和地基承载力等验算。强度验算包括：边墩强度、底板强度、局部强度等验算。（一）整体抗滑稳定计算抗滑稳定安全系数按下式计算： 其中 式中Kc 抗滑稳定安全系数，可按船闸设计规范规定数值取用； 作用于闸首上的垂直力总和，kN； U 作用于闸首底板上的扬压力，kN； f 闸首沿地基面的摩擦系数；Ep 作用于闸首下游端面埋深部分的抗力，kN，土基与埋置不深的岩基可不计； Et 边墩背面与回填料间的摩擦力，kN，在粘性填土段可不计； kt

7、摩擦力折减系数：上、中闸首可取0.6，下闸首可取0.4； E 边墩背面的土压力，kN； 回填料与边墩背面间的摩擦角，（），取 = 。 H1、H2 作用于闸首上、下游端面的水压力，kN； E1、E2 作用于闸首上、下端面的静止土压力，kN；（6-65）（二）闸首边墩计算闸首边墩一般采用分段计算法。1支持段计算（1）计算假定：通常将支持墙视为一独立体，即假定支持墙与门龛段用缝分开，与底板也用缝分开，独立承受全部闸门推力。图6-24 人字闸门闸首支持墙段荷载图式（2）闸门推力 式中 R闸门推力，kN； P作用于每扇闸门上的总水压力，kN； 闸门与船闸横轴线的夹角。 将闸门推力R分解为平行于船闸轴线的

8、纵向分力E1及垂直于船闸轴线的横向分力S，即（6-66）（6-67）（3）其它荷载支持墙还作用有门龛水压力E2;支持墙与门龛分缝间的水压力E3支持墙与底板分缝间的扬压力E4土压力和自重等荷载。 其中E3、E4为缝隙水压力，均应乘以小于1.0的折减系数（一般取为0.5）。 （4）支持墙的抗滑稳定性 式中 作用于支持墙全部垂直力的总和, （包括墙底缝内的扬压力E4），KN； f 支持墙底面的摩擦系数，一般取 0.7 0.75； 作用于支持墙全部水平力的总和，kN （6-68）其中 作用的纵向水平力的总和， 为作用的横向水平力的总和。 （5）支持墙的强度计算 支持墙的强度计算，采用双向弯曲受压公式墙

9、底四角点应力按下式计算： 式中 支持墙底面的最大应力， 为材料允许抗压强度； 支持墙底的最小应力， 0； F支持墙底面的面积，m2； Wx、Wz 支持墙底面对x、z轴的断面模量，m3； Mx、Mz 分别为纵向水平力对x轴的力矩和及横向水平力、垂直力对z轴的力矩和，kNm。 （6-69）（6）带形钢筋 当支持墙不能独立满足水平抗滑稳定要求时，则须设置纵向带形钢筋带形钢筋所受的力可按下式计算： 式中 Eg 带形钢筋所受的力，kN； Em 闸门推力的纵向分力，kN； Es 作用于支持墙上门龛的纵向水压力，kN； Ef 缝面上的纵向水压力，kN； 折减系数，取为0.5； 作用于支持墙计算面以上的垂直力

10、总和, kN； f 摩擦系数，取0.70.75； Kc支持墙抗滑稳定安全系数，取为1.4-1.5。（6-70）2空箱结构计算（1）以距底板顶面1.5L（L为箱内隔墙跨度）高度为界，以上部分的侧墙按多跨连续梁计算；以下部分则按三边固定一边简支的支持板计算。（2）垂直方向可近似地按固定在底板上的空心悬臂梁进行核算。3闸首边墩中的廊道结构 （1）当廊道壁厚小于2.5D（D为廊道孔洞化引直径）时，可按杆件系统计算。人字门闸首，将廊道在平面上分成四段，即进口段I、门龛段II、支持段III和出口段图6-18 闸首廊道计算分段I、段廊道可按固定在底板上形悬臂梁计算；II段廊道可按固定在底板上的 型刚架计算。

11、 当廊道壁厚大于2.5D时，可按弹性力学方法计算。 （三）闸首底板计算 简化计算方法 一般将底板纵向划分为几个特征段，计入不平衡剪力，按平面问题进行分段计算，然后考虑整体影响，将各段所得的内力进行调整。计算步骤： 1闸首底板的纵向分段2不平衡剪力计算3内力计算 4内力的调整 大型船闸底板内力：可先将横向荷载在纵向进行的分配，然后计算各段底板内力，内力可不再调整。1闸首底板的纵向分段 闸首底板的特征段，一般可根据荷载、刚度及跨度等因素划分。图6-19 闸首底板特征段划分(a)人字闸门；（b）平面闸门；（c）弧形闸门2.不平衡剪力计算 （1）不平衡剪力概念闸首底板划分为几个特征段后，对每一特征段，

12、考虑了相邻段的作用后，其作用在各段的垂直力与地基反力也应该是平衡的，因此相邻段分隔的截面上必然产生剪力以使各段保持平衡，该剪力被称为不平衡剪力2.不平衡剪力计算（2）计算图式分段计算的不平衡状态 Qi = Ri Vi式中：Qi 不平衡剪力，kN； Ri 闸首沿纵向按直线反力法计算所得的作用于该特征段上的地基反力，kN； Vi该特征段上的向下的垂直力总和， kN； 包括自重、水重、浮托力、渗透压力。图6-21 边墩不平衡剪力计算图（3）不平衡剪力截面分配各特征段不平衡剪力值在闸首截面中按弹性力学方法进行分配分配于边墩截面abef上的不平衡剪力QT，可由下式计算：（6-72）式中 相应特征段上边墩

13、截面上的不平衡剪力，kN； Jy 边墩和底板截面对y轴的惯矩，m4； H 边墩高度，m； (Sy)abcd abcd截面对y轴的静矩，m3。 (Jy)abef abef截面对y轴的惯矩，m4。 分配于底板上的不平衡剪力QH为； QH = Qi 2QT（4）经验分配 对于人字闸门闸首边墩和底板可分别按相应特征段的总不平衡剪力Qi的85%取值和15%取值。 不平衡剪力在闸首横断面上的分布，通常以集中力的方式作用于两边墩的中点上；以均布力的方式作用于整个底板上。Mc、Qc闸首底板单位条宽的弯矩和剪力加权平均值，kNm，kPa。Bi 各段的长度 3、内力计算：地基梁法4内力的调整 对纵向断面变化不大的

14、闸首闸底可采用加权平均法，进行底板内力的调整。 式中 Mip、Qip各特征段调整后的计算弯矩和 计算剪力值，kNm，kPa； Mi、Qi各特征段单位条宽的弯矩和剪 力值，kNm，kPa； Mc、Qc闸首底板单位条宽的弯矩和剪 力加权平均值，kNm，kPa。 对纵向断面变化较大的闸首底板，各特征段内力可按刚度进行调整。（6-76）横向荷载的分配(中小船闸可不进行分配）人字闸门推力的横向分力分配： 图6-22 人字闸门横向推力沿高度分布 通过闸首边墩传递到单位长度底板上的横向力T及其所产生的弯矩M为： （6-73） 式中 hi横向力Syi距闸首底板中心轴的距离，m； li 横向力Syi在闸首底板处

15、的分布长度，m。 图6-30 闸门推力的横向分力矩沿闸首长度分布三、分离式闸首计算计算内容 分离式闸首的边墩和底板应分别进行稳定和强度计算。（1）横向的抗滑、抗倾稳定性进行验算；（2）闸首的中间底板抗浮稳定验算；（3）土基上分离式闸首边墩沉降及边墩倾斜验算；（4）强度验算（底板及边墩）第五节、引航道导航和靠船建筑物船闸引航道上的建筑物：设有导航和靠船建筑物以及护坡、护底等结构。1 导航和靠船建筑物导航和靠船建筑物型式：（1）重力式导航、靠船建筑结构;（2）墩式、框架式导航、靠船建筑物;（3）桩墩式、浮式、空箱式、扶壁式和连拱式等浮式导航墙： 适用于库区或水深较大的河流中，预制施工进度较快，对地

16、基无要求。但操作麻烦，维护工作量大，容易受水流及风向等自然因素的影响，船舶停靠不太理想。 （1）导航、靠船建筑物结构形式的选择： 根据地基特性、 船闸规模； 材料来源； 施工条件； 使用要求等因素确定 尽可能采用结构简单、便于施工、使用方 便、经济合理的结构形式。（2）导航和靠船建筑物设置要求： 前沿做成垂直平整面，以利于船舶停靠及系泊安全； 当引航道水位变幅较大时，可在靠船建筑物正面分 层设置系船钩； 为施工方便，墩与墩间的距离，常布置为等间距；m; 墩与墩间一般设有人行引桥供管理人员工作及船员 上、下岸之用。 尺度应满足稳定和强度要求； 满足系船、照明及信号装置等布置要求。 2.护坡和护底

17、护坡和护底的必要性：引航道的岸坡和底部，由于经常受船闸泄水和溢洪时水流的冲刷以及暴雨、风浪及船行波的影响等，容易造成岸坡崩塌，引起引航道泥沙大量淤积，阻碍船舶航行。因此靠近闸首附近的一段引航道的边坡和底部，应适当加以保护。护坡和护底的型式： 一般采用浆砌块石； 干砌块石； 混凝土块体； 草皮等护坡 护坡和护底的长度：在闸首外底部和辅导墙外铺砌30m左右长度的护底；护坡结构为25-40cm块石，下垫以10cm中石子和10cm黄砂;通常将浆砌块石或干砌块石护坡铺至正常通航水位以上0.5m左右，砌石岸坡以上至坡顶则可加铺草皮保护。6-34一、船闸的渗流渗流对建筑物的影响：产生渗透压力，降低建筑物抗滑

18、稳定性；可能引起地基土壤的渗透变形，甚至会引起建筑物失事。2.渗流特点第六节船闸的防渗与排水 图6-35 船闸的渗流图式船闸的横向渗流船闸渗流特点： （1）闸室墙下的渗流为双向渗流;（2）船闸渗流呈空间渗流状态；（3）船闸的渗流具有不稳定流性质 3闸室底透水与否以及闸室相对于坝轴线位置对渗流影响：（1）闸室为不透水闸底，且布置在坝轴线下游时（2）闸室为不透水闸底，闸室布置在坝轴线上游时，下闸首位于挡水线上，其渗流情况在很大程度上取决于闸室墙后回填土的构筑方式。（3）当闸室为透水闸底时，闸首和闸室均为独立的挡水建筑物 1）闸首：渗流自上游（或闸室）经上（或下）闸首底板向闸室（或下游）渗出，同时它

19、也绕过闸首边墩向下游流动。 2）就闸室而言，当闸室泄空时，闸室墙后回填土中的地下水经过闸室墙底向闸室方向渗出。当闸室灌满水时，渗流则向闸室墙后回填土渗出 4船闸闸首地下轮廓线 地下轮廓线，亦即闸基渗流的第一根流线：该线长度称为防渗长度或渗径长度。二、地基渗流变形1流土 在粘性土壤中，由于土壤颗粒之间存在粘着力，阻碍了渗透水流使土壤颗粒分离，因而不易产生土壤颗粒的单独移动，但是渗透水流在其逸出处却可能将部分土体顶起，使其处于悬浮状态，这种现象成为流土。2管涌 当渗透坡降（或渗流流速）达到某一数值时，就有可能使那些微小颗粒开始移动，使它们象处在悬浮状态一样，沿着渗流方向通过土体的孔隙被带走。由于小

20、颗粒的被带走，土体中孔隙的容积和尺寸增大，那些较大粒径的土粒将有可能继续被带走。发展下去，有可能把土体中承重的骨架颗粒带走，于是建筑物将因此而发生较大的沉陷，甚至地基因而发生破坏。这种管涌现象主要发生在无粘性或粘性很小的土壤（如砂土、砂壤土等）中。三、船闸的防渗与排水布置船闸的防渗布置的影响因素：地基的土壤性质、土层的分布等作用水头的大小；船闸结构型式；船闸在枢纽中位置等因素1船闸闸室为透水闸底的防渗布置当闸室为透水闸底时，闸首和闸室均是独立的挡水建筑物，它们各自都应设置防渗设备：图6-5 船闸为透水闸底的防渗布置1铺盖；2齿墙 3板桩；4反滤层 （1）闸首的防渗设施（2）闸室防渗设施1、防渗

21、墙 2、反滤层 3、排水管 一般多采用齿墙、防渗墙、明沟或排水管等设施，在粘性土地基上，通常不宜施打板桩1）设置齿墙，土基上深度一般不大于米,宽度不小于0.5米2）在闸室内侧闸墙下渗流出口处设置一道板桩，在闸室内设置反滤层。3）在闸墙的回填土内，设置明沟或排水管排水 （2）闸室防渗设施 明沟和排水管的布置：明沟和排水管的起始点布置在闸室起点附近，其出口高程可根据检修要求确定；排水管及明沟的纵坡宜取为1:2001:500；墙后回填土中的排水管距墙背的距离宜为23m。沿排水管每隔25-50m应设置检查井。 对于双向水头的船闸，必要时可设置上、下两层排水管，在排水管出口处设置可控制阀门，以防止高水时

22、水流进入墙后回填土内。 2闸室为不透水闸底的防渗布置（1）当闸室位于坝轴线的下游时，一般仅在闸室墙后回填土内设置明沟或排水管。（2）当闸室位于坝轴线上游时， 在闸室墙后填筑宽度较大的回填土体，并在回填土内设置排水管，以减少作用在闸室墙上的水压力。在闸室墙后可以不填筑回填土或者不填筑到顶，此时整个渗流水头由位于坝轴线的下闸首承受四、防渗与排水构造1、防渗铺盖：长度一般采用设计水头的2-3倍； 防渗铺盖有柔性和刚性的两种；粘性铺盖适用于砂性土地基，混凝土铺盖适用于透水性较小的地基。铺盖的渗透系数与地基土渗透系数之比宜小于0.01.2、钢筋混凝土铺盖厚度约为30-50cm，一般采用C20混凝土。为适

23、应地基沉降，钢筋混凝土铺盖应用纵横缝分块，缝距可取1020米，缝内设置止水。3、防渗板桩可采用钢筋混凝土板桩，板桩厚度一般采用15-30CM，入土深度不小于2.5M，桩尖应埋入不透水层一定深度。 在粘性地基中，由于板桩打入后粘性土被切断，板桩与粘土的接触面比较光滑容易产生集中渗流，因此在这类地基中一般不宜采用板桩，可采用防渗墙。 防渗墙是使用专用机具钻凿圆孔或直接开挖槽孔，孔内浇灌混凝土、回填黏土或其他防渗材料等形成连续的地下墙体。也可用灌注桩、旋喷桩、定喷桩等各类桩体连续形成防渗墙。4、齿墙深度一般不大于2.0M，底宽不小于0.5M，岩基上齿墙较浅，一般嵌入新鲜岩层0.5-1.0M。5、墙后

24、填土中的排水暗管，可采用塑料、铸铁、混凝土材料。预制混凝土管管径一般为30CM，管壁厚约5CM，管的下半部开有小孔，孔径约为10MM，管外做反滤层。6、反滤层的作用：主要是增加地基的抗渗能力和防止产生渗透变形，防止土壤颗粒被渗流带走，通常设置在渗流逸出处。 反滤层应符合以下规定：（1）透水性应大于其所保护的土壤。 （2）较细一层的颗粒不应穿过颗粒较大一层的孔隙。 （3）被保护的土壤不应穿过反滤层被带走。 （4）同层必须稳定，颗粒在层内不发生移动。五、渗流计算 船闸的渗流计算可简化为平面问题。 土基上船闸的渗流计算方法可采用渗径系数法；当水头较高或重要的船闸，宜同时采用阻力系数法、空间渗流计算法

25、和三维电模拟试验法进行分析研究。渗径系数法（直线法） 认为建筑物基底的渗透压力与渗径长度成直线比例。该法是将船闸下的地下防渗轮廓线，化引为水平的计算轮廓线，即将板桩、齿墙等垂直的地下轮廓线按比例化引为水平长度而展开，然后绘制渗透压力图形，从而可以求出各相应段的渗透压力值。图6-7 渗径系数法计算渗透压力 渗流稳定性验算：应满足下列公式要求： LCH式中 L地下轮廓线的化引总长度，m； C渗径系数； H计算水头（渗透水头），m； Ln地下轮廓线水平段长度，m； Lv地下轮廓线垂直段长度，m； m垂直段换算为水平段长度的换算系数；对多板桩,m取2.0；对齿墙、单板桩m取1.5；对墙身垂直段m取小于

26、等于1.0。L= 渗径系数C值 表6-3土壤种类渗径系数C粉 砂细 砂中砂和粗砂亚粘土和亚砂土粘 土91379675634渗径系数法特点：没有考虑渗流区域的边界；没有考虑地下轮廓形状的影响以及地基土壤的不均匀性等该法计算简便，有一定的实践经验基础，目前在中小型工程中应用较广。2. 渗透水头的确定上闸首： 为上游的设计高水位和对应的闸室水位之差，通常当闸室抽干检修时，渗透水头最大，为计算控制工况；下闸首： 为闸室内高水位和对应的下游水位之差，同时应核算闸室检修时，由下游向闸室的渗透稳定。 闸室的渗流稳定主要计算垂直于船闸轴线的横向渗流稳定，渗透水头需根据墙前墙后水位确定。墙后的地下水位：当闸室处

27、于挡水线下游，墙后回填土中未设置排水管时，墙后地下水位纵向分布可简化为上、下游水位的直线连线分布；当墙后设有排水管时，地下水位一般取排水管中心高程，当此时下游水位超过排水管高程时，地下水位以下游水位计。当闸室处于挡水线上游，墙后无排水管时，墙后水位应按上游水位确定。第七节有限单元法在船闸工程中的应用(自学）一.有限单元法基本概念二、船闸结构有限元法有关问题的处理一.有限单元法基本概念 有限单元法，它是将需要分析的连续区域通过几何剖分，使之成为若干个“单元”的结合，“单元”与“单元”之间通过结点相连。通过求解这些连接点的力学量，进而得到连续体的应变场和应力场。有限元方法解题步骤可概括如下：1结构

28、离散成有限个单元；2选择形函数；3建立各单元结点力与结点位移的关系式，确 定单元的刚度矩阵ke；4迭加各单元的刚度矩阵成为结构的总刚度矩 阵k；5形成所有结点力FS与结点位移之间的 关系，即K=FS；6形成外荷载向量；7解线性方程组得到未知结点位移。8求出单元应力、应变。1连续介质的离散化 图6-292形函数的选择 形函数：即把单元内任一点的位移描述为单元节点位移的函数。 单元内任一点的形函数可近似表达为坐标的函数，对平面三角形单元其形函数的表达式： （6-85） （6-86） 其中 （6-87） xi，yi，xj，yj，xm，ym为单元结点坐标，A为三角形单元的面积，I为二阶单元矩阵。则单元

29、内任一点的位移可表示为： 式中 e 单元结点位移列阵； N 形函数，为坐标的函数。（6-88）3等效结点力与单元刚度矩阵 对于单元来说，结点力是指通过结点作用于本单元的力。利用虚功原理，可以导出单元的节点位移和节点力之间的关系。即 （6-89）式中 单元等效结点力； 单元刚度矩阵，其物理意 义是单位结点位移分量所 引起的结点力分量，可根 据单元的几何尺寸、结点 坐标、材料的性质等确定；4结点荷载作用于结构上的荷载有两种，一种是集中荷载，另一种是分布荷载。对于集中荷载，在划分网格时应使集中荷载的作用点成为一个结点。对于分布荷载，应转换为等效的结点荷载，其荷载的移置应按静力等效原则进行，即原荷载和

30、移置到结点上的荷载在任何虚位移上所作的虚功应相等。5结点平衡方程与整体刚度矩阵 每个结点在结点力和结点荷载作用下应保持平衡，即有 （6-90） 式中：Fi为i结点的结点力，Pi为i结点的结点荷载。以 代入上式，即可得到用结点位移表示的结点平衡方程如下： （6-91）式中 k 整体刚度矩阵，可由单元刚度矩阵 叠加形成； 整体结构结点位移列阵； P 作用在结构上所有结点的外荷载列 阵。6单元应力及应变 根据广义虎克定律，有 （6-92）式中 D 弹性矩阵，取决于弹性常数 E、； 单元应变列阵； 单元的应力列阵。 对于平面问题： （6-93） 将形函数代入上式，即可得 （6-94）将式（6-94）代

31、入式（6-92）有 （6-95）式中 B称为应变矩阵， S称为应力矩阵，按上式即可由结 点位移计算单元的应力和应变。 有限单元法的特点（1）可以反映连续体各部分的共同作用和相互影响；（2）因为它是离散的，所以允许各单元体根据各自的材料特性，所处的区域和受力条件的不同，采用不同的计算参数。适用条件：不但适用于分析匀质弹性体，也适用于分析非匀质的连续体；不但适用线性分析，也能进行非线性分析。求解多方面的课题，如基坑开挖问题；边坡稳定问题； 地基承载力问题；渗流问题；模拟施工过程；土壤与结构的相互作用；结构的静、动力等问题。二、船闸结构有限元法 有关问题的处理1确定计算范围 对于整体式闸室或闸首，地

32、基的水平工作范围L可取闸室底部轮廓宽度B的24倍，即L=（24）B，地基深度H可取B的1.01.5倍即H=（1.01.5）B。图6-28 船闸地基工作范围示意图 2.剖分单元图 6-29 闸室单元剖分示意图3地基和回填土体的非线性特性 土体的应力应变模型有非线性弹性模型和弹塑性模型两大类：（1）弹塑性模型把总变形分为弹性部分和塑性部分，用虎克定律计弹性变形部分，用塑性理论来解塑性变形部分。（2）线性弹性模型假定全部变形都是弹性，但不同的应力阶段其弹性常数是不同的。 常用非线性弹性模型：邓肯（Duncan）和张（Chang）提出的双曲线模型。Duncan和Chang建议在加荷时用下列双曲函数拟合

33、三轴试验应力应变曲线，即 （6-96）式中 a、b为试验常数， a为轴向应变， 并利用上述关系推导出了弹性模量公式：式中 Et 切线弹性模量； ut 切线泊松比； 、 大、小主应力； Rf 破坏比，对不同的土约在 0.751.0之间； （6-97） （6-98） 式中 土壤的内摩擦角； C土壤凝聚力； K、n、D、G、F为计算常数，可由常规三轴试验确定。利用式（6-97）和式（6-98），即可计算在不同的应力水平下单元的Et和t，从而形成整体刚度矩阵，进行非线性有限元分析。 卸荷及再加荷阶段，弹性模量Eur可按下式确定： （6-100）式中 Kur 由卸荷、再加荷试验确定的无因 次数，一般Kur =（1.23.0）k。4接触面特性 目前工程中常用的接触单元有Goodman和Decai单元等。（1） Goodman单元 为无厚度四结点单元，两接触面之间设想由无数的法向和切向微小弹簧所连接，其应力和相对位移关系为 式中 ws切向相对位移； wn法向相对位移； Ks切向弹簧系数。 Ks可由直剪试验确定：（6-101）式中 接触面剪应力； K1无因次劲度； n 劲度指数； rw 水的容重