高土石壩防滲體大變形條件下應(yīng)力滲流耦合特性研究項目摘要

本課題以高土石壩防滲體為對象開展研究工作，擬采用自行研制改進的土工剪切滲透聯(lián)合試驗儀進行粘性土大剪切變形條件下滲透特性的試驗研究；研制接觸面滲流沖刷試驗儀，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-滲流場耦合作用機理，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并用以模擬實際高土石壩工程中應(yīng)力場與滲流場耦合作用的過程。本項目的創(chuàng)新點包括：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)力滲流耦合作用機理；模擬高土石壩滲流沖刷破壞過程。該項目的研究成果對于揭示復(fù)雜條件下的滲流沖刷破壞機理以及合理評價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，但對負(fù)壓條件下土體滲流固結(jié)特性研究較少，尤其對負(fù)壓條件下地下水位的測量與分析存在較大的分歧。本項目擬依托南京河西青奧新城道路軟基加固工程，采用現(xiàn)場試驗、理論分析和數(shù)值計算相結(jié)合的方法開展負(fù)壓條件下軟基滲流固結(jié)特性現(xiàn)場試驗，研發(fā)一套負(fù)壓加固地下水位測試技術(shù)并開展現(xiàn)場測試分析，揭示負(fù)壓滲流場形成機理和土體固結(jié)特性。根據(jù)實測數(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)時間三者關(guān)系的滲流固結(jié)自由應(yīng)變計算模型，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)計算模型開發(fā)到巖土工程專業(yè)程序ABAQUS中，根據(jù)典型工程實例的模擬，對模型進行驗證和修正，建立計算負(fù)壓滲流固結(jié)特性和“0”壓面位置的有限元計算方法。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)計提供依據(jù)。

在建和擬建的高土石壩大多位于我國西部地區(qū)，該地區(qū)地震強度和發(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_展相關(guān)研究，為經(jīng)歷先期振動后的土石壩震后評估和加固提供依據(jù)。開展了堆石料受先期振動影響的靜動力變形特性研究。結(jié)果表明，經(jīng)歷先期振動后，堆石料的靜力強度基本保持不變，體積應(yīng)變隨著循環(huán)振次的增大而減??；再次經(jīng)歷相同的振動時，其軸向應(yīng)變和體積應(yīng)變降幅超過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周數(shù)有關(guān)，還與堆石級配、相對密度和振動頻率有關(guān)；與不均勻系數(shù)和相對密度呈線性關(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度的變化。建立了考慮顆粒破碎的細觀數(shù)值分析模型，開展了循環(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，靜力加載比動力加載時引起的顆粒破碎明顯。一個循環(huán)荷載加載周期內(nèi)，顆粒破碎率過程可以劃分為3個區(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。在前幾個振動次數(shù)時，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次數(shù)變化的規(guī)律基本一致。堆石料的級配越好，母巖強度越大，其受先期振動的影響越小。開展了混凝土堆石組合壩模型試驗，揭示了不同振動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影響的動力分析方法，開展了紫坪鋪面板堆石壩震后安全穩(wěn)定性評估研究。研究成果對高土石壩抗震設(shè)計與震后安全評估具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。 2100433B

我國西部地區(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，如何評價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，是一個值得研究的科學(xué)問題。堆石料是土石壩的重要構(gòu)成材料，了解其強度和變形特征是解決該科學(xué)問題的重要方法。本項目針對該難題，采用大型靜動三軸試驗系統(tǒng)和大型振動臺模型試驗系統(tǒng)開展先期振動對堆石料動力特性影響的試驗研究，分析不同先期振動條件下，堆石料動力變形特性的變化規(guī)律，通過試驗過程中堆石料顆粒破碎的測量，結(jié)合細觀數(shù)值模擬分析，從細觀角度揭示堆石料動力變形特性變化的機理?；诙咽先S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，建立先期振動影響的動力本構(gòu)模型，構(gòu)建先期振動影響的土石壩動力響應(yīng)分析方法。研究成果對高土石壩抗震設(shè)計與安全評估具有重要的理論意義和工程實用價值。