adina在水利岩土工程中应用

adina在水利岩土工程中应用第一页，共42页。

ADINA在水利岩土方面的几点关键技术

ADINA在水利岩土方面常用的本构模型

ADINA在水利岩土方面的工程应用

ADINA在水利岩土方面的独有特点主要内容第二页，共42页。初始应力场－多种处理方式

初应力直接输入法（GeologicalStressField）应力多次导入法相对位移针对不同的问题，需采用不同的方法：如反演出的应力场需要通过导入的方法以初始条件的形式施加在模型上；如非基于勘测或反演的地应力分布，则可采用直接输入地应力场系数的方式或者采用ADINA后处理中的相对位移、相对应力等概念获得分析中的附加应力和变形。第三页，共42页。界面模拟－多种处理方式界面模拟结构分析Contact界面General界面（层）单元软硬夹层法向无穿透切向的特性可以任意指定任意指定单元各个方向的刚度非线性间隙单元专用的单元算法流固耦合界面第四页，共42页。桩土相互作用

在桩土耦合计算中，如果想真实的考虑桩与土的相互作用，需要采用接触功能来处理两者的相互作用关系。ADINA提供了多种接触处理技术：约束函数法、Lagrangian乘子法、刚性目标面算法。接触分析定义简单而且计算速度快。在桩土界面之间往往存在摩擦系数，而且摩擦系数随压力的变化而变化，在ADINA中可以设定摩擦系数随压力而变化来解决这一问题。

第五页，共42页。地下结构抗震分析

对于地下结构的地震反应分析，ADINA已经提供了针对类似问题的关键技术如：

模拟无限地基的能量辐射作用的无反射边界：对如平面波、球形波、柱面波进行过滤；另也可以采用ADINA的阻尼、质量复合非线性弹簧结构模拟类似边界；

非线性时程动力分析方法：如直接接受地面加速度（GroundAcceleration）荷载输入或多点时程位移荷载输入；提供国际上抗震应用最多的Wilson-Theta时间积分方法进行时程分析；

处理不良地质地带中的软弱、断层破碎等常见地质特征：可针对其特点，分析其破坏的机理，研究其最佳的结构形式，提出不良地质地带隧道及地下结构的减震、抗震措施以及指导减震方法的试验研究等。

抗震分析的目的是寻找入口段混凝土结构在地震中的抗震薄弱点。采用非线性弹簧模拟地基、山体与混凝土结构的相互作用，多点的非线性时程位移荷载施加在地基弹簧的底部。

确定典型的弹簧刚度（以15米间距为准），竖向弹簧刚度＝3.8e5KN/m；横向弹簧刚度＝9.5e4KN/m；纵向弹簧刚度＝7.1e4KN/m。第六页，共42页。

在结构模块的单元死亡，用户可以任意控制单元生死的过渡时间长短（T），即在这段时间内，对象单元的刚度在真实刚度与零之间线性变化（即刚度因子在1～0之间变化），而且在单元存在残余刚度的某个时刻，支护单元开始启动刚度，即激活为Active，这更加符合工程实际；

ADINA的结构场、温度场、流场均可以实现单元生死功能，而结构场与温度场的同步单元生死功能在一些土建工程如大体积混凝土施工模拟中被大量应用；

ADINA定义的具有单元生死的重复单元中可以定义锚杆、土钉等单元，此功能主要用来模拟带有锚固、预应力锚固的支护结构。

施工过程模拟－考虑时间效应的单元生死功能单元生死功能第七页，共42页。

Rebar单元可以作为混凝土或其它材料中的加强筋。Rebar单元属于Truss单元族，其在使用方法上同Truss单元的不同在于Rebar单元在生成单元时由程序自动完成，不用使用者手工划分。

植入式锚杆－Rebar单元第八页，共42页。ADINA-ThermalSeepageMat.ADINA-CFDPorousWithVOF

采用ADINA的VOF（多物质）多孔介质算法可以进行非稳态渗流过程的模拟，解决如土坝渗流、路基雨水渗流、边坡岩土渗流、地下水迁移、水管道泄漏等多领域的工程问题。渗流场分析－两种处理方式第九页，共42页。水土耦合分析－渗流场/结构场耦合固结沉降计算采用ADINA中多孔介质算法表征岩土材料，求解的未知数是节点位移和孔隙压力。多孔介质中水的流动满足Darcy定律。模型中每层的渗透率需要给定，表面指定为排水边界条件（孔隙压力为零），底部指定为非排水条件（不扩散边界）。

ADINA的岩土材料模型可以考虑土体骨架的弹塑性变形，通过分析可以反映孔隙压力的扩散和消散作用。固结沉降计算第十页，共42页。流固耦合分析－纯流场/结构场耦合计算波浪冲击坝体等效应力云图本模型模拟的是波浪对坝体的冲击问题，其中结构和流体分开建立模型；流体与结构网格相互独立。第十一页，共42页。多孔介质的流固耦合分析本模型模拟的问题是水道中间有块板，为多孔介质属性，水可以从板渗透过去；由于板两侧有压差存在，将导致板发生变形；本例采用流固耦合算法，有结构和流体两个模型。流体流过多孔介质挡板第十二页，共42页。主要内容ADINA在水利岩土方面的几点关键技术

ADINA在水利岩土方面常用的本构模型

ADINA在水利岩土方面的工程应用

ADINA在水利岩土方面的独有特点第十三页，共42页。

ADINA的材料模式除了通用的线弹性、弹塑性、粘弹、粘塑、蠕变等材料模式外，还提供了多种专用于岩土方面的材料模式：

Concrete（带Rebar钢筋单元）

LUBBY2徐变模型(岩土/混凝土长期徐变专用模型)

变（时间）参数模型（Fullytimedependentforconcretecomponentdesign,usersupplied）冻土、徐变模型…（用户开发）（热/结构参数直接耦合模型，同时可包括多孔介质属性）

针对土木工程的材料模式

Mohr-coulomb材料（非关联流动）

Drucker-Prager材料（带帽硬化）

Cam-clay材料曲线描述的岩土材料（输入试验曲线）

Porous材料（固结沉降、渗流）

Seepage渗流本构二次开发邓肯-张岩土模型（E-B，E-U）第十四页，共42页。曲线描述的地质材料（curvedescriptionmaterialmodel）：岩土的本构模型

这种材料模型主要用来模拟地质材料。材料曲线用分段线性的方式给出了加载和卸载两种不同状态下的体积模量和剪切模量与体积应变的关系。这种材料的一个重要特点是如果主拉伸应力超过了给定值，材料将会发生弱化。程序提供了两个弱化选项：Tensioncut-off和Cracking，一旦弱化发生材料将变为正交各向异性材料，对应于最大主拉伸应力方向的法向刚度和剪切刚度将会变小。在Tensioncut-off模式中，对应于最大主拉伸应力方向的法向刚度和剪切刚度将会变小，但是应力将会保持不变，此种方式主要用于模拟材料的弹塑性流动。在Cracking模式中除了法向刚度和剪切刚度变小，对应的法向应力和剪切应力也将释放，这主要用来模拟裂纹，如拉伸失效面。Cam-clay材料：

这种材料模型是一种取决于压力的塑性材料，以椭圆屈服方程作为破坏判定准则。主要用来模拟粘土材料在正常固结和超固结情况下的应变硬化和软化；模拟静水压力和弹性体积应变的非线性关系。第十五页，共42页。Mohr-coulomb材料：岩土的本构模型

这种材料模型服从理想塑性Mohr-coulomb破坏准则。当使用Mohr-coulomb材料时，由剪力引起的材料体积变形只取决于扩展角，因此为避免材料病态的大变形，应令扩展角小于摩擦角。另外，材料的拉应力不允许大于给定值（tensioncut-off），一旦超过tensioncut-off值，材料采用最大拉应力准则（Rankline准则）。Drucker-Prager材料：

这种材料模型基于Drucker-Prager屈服条件，具有理想塑性Drucker-Prager屈服性能和Cap硬化性能，采用Drucker-Prager和Cap屈服方程。除了在Cap曲线存在材料硬化外，一般Drucker-Prager材料为理想弹塑性材料，不具有材料硬化性能。材料的拉应力不允许大于给定值（tensioncut-off），一旦超过tensioncut-off值，程序自动把全部剪应力置为零，全部正应力置为T/3（T为tensioncut-off值）。第十六页，共42页。多孔介质属性：岩土的本构模型

多孔介质属性主要用于承受静态或动态载荷的岩土多孔结构，可以处理多孔固体骨架和通过它的流体之间的相互作用。多孔介质属性可用来解决下列类型的问题：不排水条件多孔结构分析（Undrainedanalysis）、瞬态静力分析（固结分析Consolidation）、瞬态动力分析（多孔结构失效，例如土壤液化）。在瞬态静力分析中，可以得到孔压、位移和应力分布以及它们随时间的变化。在瞬态动力学分析中除可以得到瞬态靜力分析所能得到的结果外，更关心的可能是土壤的液化失效，在地震灾害中，地下结构土壤液化（Liquefaction）往往是一种重要的失效模式。其它材料本构：

除此之外，ADINA提供的本构包括Duncan-Zhang标准E-U及E-B模型以及随时间变参数材料模型，这些材料模型的使用通过动态链接库实现。第十七页，共42页。混凝土材料：岩土的本构模型

ADINA提供的混凝土单元不仅可以模拟混凝土材料，同时也适用于模拟任何脆性岩石材料。该单元可以描述材料非线性应力应变关系，同时考虑材料软化、模拟滞回曲线、模拟材料失效后性能（包括材料开裂后性能、压碎后性能、应变软化性能）、考虑温度作用的影响。另外，虽然混凝土的泊松比通常为常量，但根据试验结果表明混凝土的应力超过最大应力80％以后，材料泊松比会发生变化，因此，程序中允许改变材料泊松比值。混凝土材料的应力应变关系采用多轴应力应变关系，较好的模拟约束混凝土的作用。ADINA中混凝土材料本构也适用于脆性岩土材料，并同样得到广泛的应用。LUBBY2徐变模型：

LUBBY2徐变模型主要用来模拟混凝土和岩石材料的长期徐变行为，用户可选择使用应变强化或时间强化。徐变方程的系数既可以是常数也可以随温度而变化，另外在徐变模型中还考虑了卸载和周期载荷的影响，当材料的徐变过大时可能会导致材料破坏，用户也可以根据需要定义不同温度下的徐变破坏准则。第十八页，共42页。基本材料属性是：－当一个相应的较小主拉应力达到最大允许值时，材料拉坏；－在较高压力作用下压溃；－材料压溃后应变软化，直到极限应变，材料完全破坏。拉坏和压溃由拉压破坏包络线决定，而材料的破坏包络线由三轴试验确定或由Kufer、Sandia算法确定；－后处理结果显示单元裂纹数目、开裂方向、压溃等各种结果；

混凝土本构模型第十九页，共42页。主要内容ADINA在岩土水利方面的几点关键技术

ADINA在岩土水利方面常用的本构模型

ADINA在岩土水利方面的工程应用

ADINA在岩土水利方面的独有特点第二十页，共42页。桩土相互作用第二十一页，共42页。桩土相互作用第二十二页，共42页。

地基土质分为四层，桩和筏板为刚性。计算在线性加载的筏板压力作用下，复合地基的沉降以及桩土之间的摩擦状态、力的传递机制。桩土相互作用

土体采用莫尔库仑材料，动画显示的是地基中心点的沉降随线性荷载的变化过程，云图显示莫尔库仑材料的塑性区形成和大变形塑性流动过程。第二十三页，共42页。桩土相互作用第二十四页，共42页。基坑开挖与支护第二十五页，共42页。

图为一个长宽约60×38米，深26米基坑的平面和剖面。采用土钉支护方案，每隔两米安放土钉，向土体内部扇形分布，并且有一定的预紧力作用于土钉。图显示有限元整体模型，根据对称条件，取真实模型的1/4部分。图显示整体模型内部的土钉和混凝土支护的有限元模型。基坑开挖与支护第二十六页，共42页。地下空间结构施工第二十七页，共42页。一号机组剖面（最大应力）地下空间结构施工佛子岭蓄能电站地下洞室第二十八页，共42页。邓肯-张本构和Goodman界面算法在世界级水坝计算中的应用第二十九页，共42页。Goodman算法界面处理－土石坝分析切向剪切劲度系数：在ADINA中通过用户二次开发完成Goodman界面的描述防渗墙最大应力在施工期和蓄水期的变化过程第三十页，共42页。水工常规结构计算第三十一页，共42页。正常蓄水位第一主拉应力

正常蓄水位Z向位移云图

拱坝是一个三面受岩土约束的高次超静定的壳体结构，坝体上的应力状态不仅与水压、变温等荷载有关，还取决于坝体和基岩的相互作用，坝肩附近岩体中的断层、节理裂隙和软弱层对拱坝基岩的变形与稳定起控制作用，对大坝的应力和变形有很大的影响，因此，在复杂地基上建造拱坝拱座的任何变形将使大坝坝体应力产生重分布，从而影响坝体传递给拱座的作用力的大小和方位。水工常规结构计算第三十二页，共42页。主要内容ADINA在岩土水利方面的几点关键技术

ADINA在岩土水利方面常用的本构模型

ADINA在岩土水利方面的工程应用

ADINA在岩土水利方面的独有特点第三十三页，共42页。温度/温度应力分析第三十四页，共42页。大体积混凝土浇筑过程分析温度/温度应力分析单元生死定义方便边界条件可以生死一次求解完成整个仿真过程第三十五页，共42页。水土耦合分析－渗流场/结构场耦合计算第三十六页，共42页