高土石壩防滲體大變形條件下應(yīng)力滲流耦合特性研究基本信息

本課題以高土石壩防滲體為對(duì)象開(kāi)展研究工作，擬采用自行研制改進(jìn)的土工剪切滲透聯(lián)合試驗(yàn)儀進(jìn)行粘性土大剪切變形條件下滲透特性的試驗(yàn)研究；研制接觸面滲流沖刷試驗(yàn)儀，研究接觸面上粘土料在大剪切變形條件下的抗沖刷特性；揭示土體應(yīng)力場(chǎng)-滲流場(chǎng)耦合作用機(jī)理，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并用以模擬實(shí)際高土石壩工程中應(yīng)力場(chǎng)與滲流場(chǎng)耦合作用的過(guò)程。本項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)包括：研究粘土料大剪切變形條件下的滲透特性及抗沖刷特性；揭示土體應(yīng)力滲流耦合作用機(jī)理；模擬高土石壩滲流沖刷破壞過(guò)程。該項(xiàng)目的研究成果對(duì)于揭示復(fù)雜條件下的滲流沖刷破壞機(jī)理以及合理評(píng)價(jià)高土石壩的安全性具有指導(dǎo)作用，因而本研究既具有理論意義又具有廣闊的應(yīng)用前景。 2100433B

真空預(yù)壓法處理軟土地基目前在交通及港口工程中廣為應(yīng)用，但對(duì)負(fù)壓條件下土體滲流固結(jié)特性研究較少，尤其對(duì)負(fù)壓條件下地下水位的測(cè)量與分析存在較大的分歧。本項(xiàng)目擬依托南京河西青奧新城道路軟基加固工程，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、理論分析和數(shù)值計(jì)算相結(jié)合的方法開(kāi)展負(fù)壓條件下軟基滲流固結(jié)特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研發(fā)一套負(fù)壓加固地下水位測(cè)試技術(shù)并開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析，揭示負(fù)壓滲流場(chǎng)形成機(jī)理和土體固結(jié)特性。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，考慮負(fù)壓及其沿排水體衰減規(guī)律和井阻作用，建立排水體特性、超孔隙水壓力和固結(jié)時(shí)間三者關(guān)系的滲流固結(jié)自由應(yīng)變計(jì)算模型，得到加固范圍內(nèi)土體滲流固結(jié)解析解。將建立的負(fù)壓滲流固結(jié)計(jì)算模型開(kāi)發(fā)到巖土工程專(zhuān)業(yè)程序ABAQUS中，根據(jù)典型工程實(shí)例的模擬，對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證和修正，建立計(jì)算負(fù)壓滲流固結(jié)特性和“0”壓面位置的有限元計(jì)算方法。研究成果將豐富并創(chuàng)新真空預(yù)壓負(fù)壓加固土體滲流固結(jié)理論，為道路交通、港口碼頭等軟基處理工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

在建和擬建的高土石壩大多位于我國(guó)西部地區(qū)，該地區(qū)地震強(qiáng)度和發(fā)震頻率高，大壩在生命周期內(nèi)經(jīng)受多次地震的可能性較大，一旦發(fā)生事故其后果將是災(zāi)難性的?；诖碎_(kāi)展相關(guān)研究，為經(jīng)歷先期振動(dòng)后的土石壩震后評(píng)估和加固提供依據(jù)。開(kāi)展了堆石料受先期振動(dòng)影響的靜動(dòng)力變形特性研究。結(jié)果表明，經(jīng)歷先期振動(dòng)后，堆石料的靜力強(qiáng)度基本保持不變，體積應(yīng)變隨著循環(huán)振次的增大而減小；再次經(jīng)歷相同的振動(dòng)時(shí)，其軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變降幅超過(guò)80%，且軸向應(yīng)變降幅大于體積應(yīng)變降幅；應(yīng)變降幅的大小不僅與先期振動(dòng)周數(shù)有關(guān)，還與堆石級(jí)配、相對(duì)密度和振動(dòng)頻率有關(guān)；與不均勻系數(shù)和相對(duì)密度呈線性關(guān)系；其抗變形能力的提高的主要是循環(huán)荷載下堆石料顆粒排列方式發(fā)生了變化，而不是顆粒破碎和密實(shí)度的變化。建立了考慮顆粒破碎的細(xì)觀數(shù)值分析模型，開(kāi)展了循環(huán)荷載下堆石料顆粒破碎數(shù)值模擬研究，研究表明：試樣在豎向應(yīng)力相等的條件下，隨著固結(jié)應(yīng)力比的增大，顆粒破碎率越大；在相同應(yīng)力作用下，靜力加載比動(dòng)力加載時(shí)引起的顆粒破碎明顯。一個(gè)循環(huán)荷載加載周期內(nèi)，顆粒破碎率過(guò)程可以劃分為3個(gè)區(qū)，即隨著循環(huán)荷載的施加，顆粒破碎率先緩慢增加，在急劇增加后趨于平緩。隨著循環(huán)周次的增加，試樣內(nèi)部的拉、壓顆粒破碎率的變化規(guī)律基本一致，先增加，后趨于穩(wěn)定。在前幾個(gè)振動(dòng)次數(shù)時(shí)，顆粒破碎比較嚴(yán)重，隨著振次的增加，顆粒破碎現(xiàn)象趨于平緩；堆石料的殘余剪應(yīng)變和殘余體應(yīng)變的變化規(guī)律與顆粒破碎隨著振動(dòng)次數(shù)變化的規(guī)律基本一致。堆石料的級(jí)配越好，母巖強(qiáng)度越大，其受先期振動(dòng)的影響越小。開(kāi)展了混凝土堆石組合壩模型試驗(yàn)，揭示了不同振動(dòng)峰值加速度下壩體的變形和破壞規(guī)律。建立了能夠考慮堆石料相對(duì)密度和顆粒破碎的臨界狀態(tài)變量和本構(gòu)模型。建立了能夠反映堆石料先期振動(dòng)影響的動(dòng)力分析方法，開(kāi)展了紫坪鋪面板堆石壩震后安全穩(wěn)定性評(píng)估研究。研究成果對(duì)高土石壩抗震設(shè)計(jì)與震后安全評(píng)估具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。 2100433B

我國(guó)西部地區(qū)正在規(guī)劃建設(shè)一批高土石壩，該地區(qū)地震強(qiáng)度和發(fā)震頻度都很高。已建和擬建土石壩在其生命周期內(nèi)都有遭遇多次地震的可能性，如何評(píng)價(jià)土石壩尤其是高土石壩在經(jīng)歷一次或多次地震以后的抗震性能，是一個(gè)值得研究的科學(xué)問(wèn)題。堆石料是土石壩的重要構(gòu)成材料，了解其強(qiáng)度和變形特征是解決該科學(xué)問(wèn)題的重要方法。本項(xiàng)目針對(duì)該難題，采用大型靜動(dòng)三軸試驗(yàn)系統(tǒng)和大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展先期振動(dòng)對(duì)堆石料動(dòng)力特性影響的試驗(yàn)研究，分析不同先期振動(dòng)條件下，堆石料動(dòng)力變形特性的變化規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)過(guò)程中堆石料顆粒破碎的測(cè)量，結(jié)合細(xì)觀數(shù)值模擬分析，從細(xì)觀角度揭示堆石料動(dòng)力變形特性變化的機(jī)理。基于堆石料三維統(tǒng)一破壞準(zhǔn)則，結(jié)合臨界狀態(tài)理論、邊界面理論、自適應(yīng)理論等，建立先期振動(dòng)影響的動(dòng)力本構(gòu)模型，構(gòu)建先期振動(dòng)影響的土石壩動(dòng)力響應(yīng)分析方法。研究成果對(duì)高土石壩抗震設(shè)計(jì)與安全評(píng)估具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。