(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111495049.5 (22)申请日 2021.12.08 (71)申请人 西安理工大 学 地址 710048 陕西省西安市碑林区金花 南 路5号 (72)发明人 李炎隆　李勇　刘云贺　温立峰　 饶明明　李维妹　卜鹏　 (74)专利代理 机构 西安弘理专利事务所 61214 专利代理师 王敏强 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种沥青混凝土心墙抗拉裂的可靠度计算 方法 (57)摘要 本发明公开了一种沥青混凝土心墙抗拉裂 的可靠度计算方法， 首先统计心墙邓肯张E ‑B模 型参数， 得到心 墙邓肯张E ‑B模型参数经验区间， 总结心墙邓肯张E ‑B模型参数及土石坝上游水位 平均值、 标准差、 变异系数及分布类型； 以心 墙最 大横向拉应变为目标变量， 设计心 墙参数全局单 因素敏感性计算方案； 针对工程实例建立土石坝 三维有限元计算模型； 依据计算方案进行敏感性 分析， 得到高敏感性参数； 联合高敏感性参数与 水位构建混合均匀设计试验； 最后根据混合均匀 设计试验计算结果， 拟合基于心 墙最大横向拉应 变的响应面显示表达式； 进行心 墙抗拉裂可靠度 计算。 本发 明解决了现有技术中存在的基于应力 进行可靠度计算精度低的问题。 权利要求书4页 说明书11页 附图5页 CN 114781018 A 2022.07.22 CN 114781018 A 1.沥青混凝 土心墙抗拉裂的可靠度计算方法， 其特 征在于， 具体按照以下步骤实施： 步骤1、 统计心墙邓肯张E ‑B模型参数， 得到心墙邓肯张E ‑B模型参数经验区间， 总结心 墙邓肯张E ‑B模型参数及土石坝上游水位平均值、 标准差、 变异系数及分布类型； 步骤2、 结合步骤1得到的心墙参数经验区间， 以心墙最大横向拉应变为目标变量， 设计 心墙参数全局单因素 敏感性计算方案； 步骤3、 针对工程实例建立土石坝三维有限元计算模型； 步骤4、 依据计算方案进行 敏感性分析， 得到高敏感性 参数； 步骤5、 联合高敏感性 参数与水位构建 混合均匀设计试验； 步骤6、 根据混合均匀设计试验计算结果， 拟合基于心墙最大横向拉应变的响应面显示 表达式； 步骤7、 进行心墙抗拉裂可靠度计算。 2.根据权利要求1所述的沥青混凝土心墙抗拉裂的可靠度计算方法， 其特征在于， 所述 步骤1中， 确定心墙邓肯张E ‑B模型参数： 初始弹性模量基数K、 摩擦角 心墙破坏比Rf、 弹 性模量指数n、 粘聚力c、 初始体积模量基数Kb、 体积模量指数m、 卸荷 ‑再加载弹性模量基数 Kur， K， n， Rf， c， Kb和m均由常规的三轴试验成果整理得到， 其中破坏比Rf、 切线弹性模量E、 切线体积模量Bt、 摩擦角 计算公式如下： 定义破坏比Rf为破坏时的主应力差与主应力差渐近值的比值， Rf值小于1.0， 具体为： 式中： Rf为破坏比， σ1为轴向压力， σ3为试件围压， (σ1‑σ3)f为破坏时的主应力差， (σ1‑ σ3)ult为主应力差的渐近值； 切线弹性模量E具体为： 式中： E为切线弹性模量， K为初始弹性模量基数， Pa为大气压力， Rf为心墙破坏比， 为 摩擦角， m为体积模量指数， n 为弹性模量指数， σ1为轴向压力， σ3为试件围压； 材料的切线体积模量Bt计算公式具体为： 式中： m为体积模量指数， Kb为初始体积模量基数， Pa为大气压力， m为体积模量指数， σ3 为试件围压； 摩擦角 计算公式具体为： 式中： 为摩擦角， 为围压增加一个对数周期时， 内摩擦角减小的值， 为初始内摩 擦角， σ3为试件围压， Pa为大气压力；权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 114781018 A 2分布类型包括 正态分布、 极值Ι 型分布、 对数正态分布。 3.根据权利要求2所述的沥青混凝土心墙抗拉裂的可靠度计算方法， 其特征在于， 所述 步骤2中， 以工程实例中心墙邓 肯张E‑B模型参数为基准， 将初始弹性模量基数K、 摩擦角 心墙破坏比Rf、 弹性模量指数n、 粘聚力 c、 初始体积模量基数Kb、 体积模量指数m、 卸荷 ‑再加 载弹性模量基数Kur分别按+20％、 +10％、 0、 ‑10％、‑20％设置5水平单一变 量计算方案， 若心 墙邓肯张E ‑B模型参数变化引起心墙最大横向拉应变化不明显， 即心墙最大横向拉应变变 化率在10％以内， 则将参数变化水平修改为+6 0％、 +30％、 0、‑30％、‑60％。 4.根据权利要求3所述的一种沥青混凝土心墙抗拉裂的可靠度计算方法， 其特征在于， 所述步骤3中， 利用大型有限元分析软件ABAQUS建立三维实体模型， 根据沥青 混凝土心墙坝 平面布置图和剖面图建立三维有限元模型， 模型全部采用6面体8节点单元进行剖分， 地基 底部为全约束， 四周为法向约束， 坐标原 点在坝体上游面与河床交线处的左岸， 计算坐标系 为： 坝轴线方向为X轴方向， 指向右岸为正； 顺水流方向为Y轴方向， 指向下游 为正； 铅直方向 为Z轴方向， 向上为正； 建立有限元模 型时取地基向左、 右岸分别延伸一倍坝高， 沿水流方向 向上、 下游分别延伸一倍坝高， 沿深度方向亦延伸一倍坝高， 心墙与堆石体之间、 心墙与基 座皆采用无厚度goodman单元模拟， 将上游水位按4阶段模拟， 每阶段上升总水位1/4， 水荷 载施加在心墙上游面， 最后将部件实例按六面体网格剖分， 调用umat子程序进行计算； 水荷载PW计算公式具体为： PW＝γ(hl‑hl‑1)  (5) 式中： PW为水荷载， γ为水的容重， hl为l阶段蓄水， hl‑1为l‑1阶段蓄水， l ＝1,2,3,4。 5.根据权利要求4所述的沥青混凝土心墙抗拉裂的可靠度计算方法， 其特征在于， 所述 步骤4中， 在进行敏感性计算时， 根据敏感性试验方案， 逐一改变三维有限元模型中心墙邓 肯张E‑B模型参数， 同时维持其他参数不变， 共计需进行33组计算。 首先观察目标变量心墙 最大横向拉应变随心墙邓肯张E ‑B模型参数变化率的变化规律， 再对计算结果进行后处理 分析， 其中计算结果的敏感性通过计算敏感度函数k进 行比较， 在变化区间内， k值越大则表 明敏感性越强， k具体为： 式中： k为绘制ΔF/F*与Δxi/xi*关系曲线切线的斜率的绝对值,ΔF表示目标值的变化 量， F*为基准状态目标值， Δxi参数变化 量， xi为参数基准 值； 在进行单因素敏感性分析时， 当目标函数与随机变量之间并非单调变化时， 用整体变 化率S描述参数的敏感性， S具体为： S＝max(|(ΔF/F*)i|+|(ΔF/F*)j＝‑i|)    (7) 式中： S为 ±i水平时目标值的变化量Δ F与基准状态目标值F*比值的绝对 值的和中的最 大值(i＝+60％,+30％,0,‑30％,‑60％)； 根据计算结果用origin软件分别做出目标变量心墙最大横 向拉应变max与参数变化率 Δxi/xi*的曲线图、 目标变量心墙最大横向拉应变变化率Δ εmax/ εmax*与参数变化率Δxi/xi* 曲线图， 根据变化 曲线初拟响应面函数； 综合考虑曲线图与两个公式计算结果得到心墙邓 肯张E‑B模型参数参数变化范围为 ±60％时,心墙邓肯张E ‑B模型参数参数敏感性排序权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 114781018 A 3