高土石壩心墻多場(chǎng)耦合演化規(guī)律

心墻堆石壩是水利水電工程中優(yōu)先采用的一種壩型。隨著壩高的增加，大壩所表現(xiàn)出的行為與低壩有很大差異。多座高心墻土石壩在建設(shè)和運(yùn)行過程中實(shí)測(cè)的心墻應(yīng)力、變形和超靜孔隙水壓力及其變化過程與計(jì)算值相差較大。這些現(xiàn)象根據(jù)已有的理論和方法難以解釋和模擬。本課題利用多種試驗(yàn)設(shè)備，研究了非飽和壓實(shí)黏性土在復(fù)雜條件下的滲透特性和力學(xué)特性的變化特點(diǎn)；分析了多種因素影響的內(nèi)在機(jī)理，建立相應(yīng)的本構(gòu)模型并開發(fā)了實(shí)用的模擬方法和計(jì)算程序；根據(jù)計(jì)算揭示了心墻內(nèi)物態(tài)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)等的耦合演化規(guī)律，并應(yīng)用于實(shí)際工程進(jìn)行檢驗(yàn)。本項(xiàng)目是在高土石壩工程實(shí)踐中凝練出的課題，創(chuàng)新點(diǎn)明確，研究成果對(duì)于揭示復(fù)雜應(yīng)力條件下心墻多場(chǎng)耦合演化機(jī)理、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及合理評(píng)價(jià)高土石壩的安全性具有指導(dǎo)作用，因而本研究既具有較大的理論意義又具有廣闊的應(yīng)用前景。 2100433B

目前多座高心墻土石壩在建設(shè)和運(yùn)行過程中實(shí)測(cè)的心墻應(yīng)力、變形和超靜孔隙水壓力及其變化過程與計(jì)算值相差較大。這些現(xiàn)象根據(jù)已有的理論和方法難以解釋和模擬。本課題擬利用改進(jìn)的三軸剪切滲流試驗(yàn)設(shè)備，研究非飽和壓實(shí)粘性土在復(fù)雜條件下的滲透特性和力學(xué)特性的變化特點(diǎn)；分析多種因素影響的內(nèi)在機(jī)理，建立相應(yīng)的本構(gòu)模型并開發(fā)實(shí)用的模擬方法；揭示心墻內(nèi)物態(tài)場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、變形場(chǎng)、滲流場(chǎng)等的耦合演化規(guī)律，并應(yīng)用于實(shí)際工程進(jìn)行檢驗(yàn)。本項(xiàng)目是在高土石壩工程實(shí)踐中凝練出的課題，創(chuàng)新點(diǎn)明確，研究成果對(duì)于揭示復(fù)雜應(yīng)力條件下心墻多場(chǎng)耦合演化機(jī)理、優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及合理評(píng)價(jià)高土石壩的安全性具有指導(dǎo)作用，因而本研究既具有較大的理論意義又具有廣闊的應(yīng)用前景。

根據(jù)金屬應(yīng)力腐蝕理論，應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋在一定腐蝕環(huán)境中將表現(xiàn)出多場(chǎng)耦合行為，其銹蝕特性較單一環(huán)境因素作用時(shí)不同。本項(xiàng)目采用多因素耦合與多尺度分析的理念，研究鋼筋在環(huán)境-應(yīng)力耦合作用下的銹蝕特征及演化規(guī)律。首先將不同環(huán)境因素與拉應(yīng)力相耦合，正確模擬混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕過程的實(shí)際工況，從微-細(xì)-宏觀尺度對(duì)不同條件下鋼筋的銹蝕特征進(jìn)行系統(tǒng)研究；其次將分形理論與定量體視學(xué)相結(jié)合，探求不同腐蝕條件下鋼筋不均勻銹蝕的定量表征指標(biāo)，基于粗糙表面分形模擬技術(shù)及時(shí)間序列方法，實(shí)現(xiàn)鋼筋銹蝕過程中表面形貌演化過程的數(shù)值模擬；最后結(jié)合損傷力學(xué)與分形理論，提出一種兼顧鋼筋不均勻銹蝕損傷細(xì)觀特征描述與宏觀損傷力學(xué)分析需要的分形損傷變量，建立宏-細(xì)觀結(jié)合的鋼筋銹蝕損傷演化方程與內(nèi)蘊(yùn)損傷變量的本構(gòu)關(guān)系，為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)及數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。

強(qiáng)震時(shí)，高土石壩頂部易出現(xiàn)心墻動(dòng)強(qiáng)度不足問題。解決這一問題的有效方法是頂部心墻也采用摻礫土料。摻礫提高了心墻料的動(dòng)強(qiáng)度，改善了心墻靜應(yīng)力狀態(tài)，減少了其發(fā)生水力劈裂的可能性，也有阻止裂縫發(fā)展和便于施工等優(yōu)點(diǎn)。但心墻摻礫提高了心墻分擔(dān)地震剪應(yīng)力的比例，降低了心墻適應(yīng)變形的能力，增加了工程投資。目前由于心墻摻礫土料的動(dòng)強(qiáng)度研究很少，特別是黏土握裹礫石結(jié)構(gòu)的土體動(dòng)力破壞機(jī)理分析嚴(yán)重滯后,導(dǎo)致實(shí)際工程中心墻頂部是否摻礫較難決策。本課題擬采用最新研制的可控圍壓粗粒土大型單剪儀，進(jìn)行心墻摻礫土料的動(dòng)強(qiáng)度試驗(yàn)，研究其大應(yīng)變滯回圈的表達(dá)方式、能量耗散及增量耗散函數(shù)。然后基于熱力學(xué)基本定律，討論心墻摻礫土料的大應(yīng)變變形與破壞機(jī)理，提出心墻摻礫土料的動(dòng)力破壞閾值標(biāo)準(zhǔn)。該課題對(duì)推動(dòng)土體動(dòng)力破壞標(biāo)準(zhǔn)研究有重要意義，在土石壩抗震及公路工程中有廣泛的應(yīng)用前景。

強(qiáng)震時(shí)，高土石壩頂部易出現(xiàn)心墻動(dòng)強(qiáng)度不足問題。解決這一問題的有效方法是頂部心墻也采用摻礫土料。摻礫提高了心墻料的動(dòng)強(qiáng)度，改善了心墻靜應(yīng)力狀態(tài)，減少了其發(fā)生水力劈裂的可能性，也有阻止裂縫發(fā)展和便于施工等優(yōu)點(diǎn)。但心墻摻礫提高了心墻分擔(dān)地震剪應(yīng)力的比例，降低了心墻適應(yīng)變形的能力，增加了工程投資。因此，頂部心墻是否摻礫及摻礫比例較難把握。 研究中比較了不同礫石含量土料的壓實(shí)密度、滲透性能、壓縮特性、抗剪強(qiáng)度及應(yīng)力應(yīng)變等工程特性。認(rèn)為高心墻堆石壩土料合適的礫石含量范圍宜為30%～40%，極限摻礫量不超過50%，摻礫量在20%以下效果不明顯。 為了探究摻礫心墻土料的動(dòng)力特性，對(duì)其分別進(jìn)行靜力和動(dòng)力的三軸試驗(yàn)，研究了不同固結(jié)比、不同摻礫比例、不同循環(huán)應(yīng)力比對(duì)摻礫土動(dòng)強(qiáng)度特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明: 動(dòng)強(qiáng)度隨固結(jié)應(yīng)力比的增大先升高再降低，增大摻礫比例在一定程度上可以提高動(dòng)強(qiáng)度，隨著循環(huán)應(yīng)力比增大動(dòng)應(yīng)變隨振次增大速率變大且轉(zhuǎn)折點(diǎn)較早出現(xiàn)。 運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法，給出了堆石料動(dòng)剪模量比衰減及阻尼比增長(zhǎng)的平均曲線表達(dá)式。建立了反映筑壩土石料非線性和滯回性的變參數(shù)Ramberg-Osgood模型，討論了模型參數(shù)及參考剪應(yīng)變的計(jì)算方法。推導(dǎo)了堆石料的增量耗散函數(shù)表達(dá)式，在熱力學(xué)基本定律的框架下，研究了堆石料的屈服函數(shù)，討論了其動(dòng)力變形機(jī)理和第2閾值應(yīng)變。對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)筑壩土石料動(dòng)應(yīng)力變形特性有重要意義。 Bouc-Wen模型可以模擬大應(yīng)變時(shí)土體的強(qiáng)度和剛度退化特性。研究中討論了大應(yīng)變水平下阻尼調(diào)整的Bouc-Wen退化模型，分析了模型中各參數(shù)的物理意義及其對(duì)滯回圈的影響，探討了Bouc-Wen土體動(dòng)力模型的適用條件，采用遺傳算法對(duì)Bouc-Wen土體動(dòng)力模型的參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)。構(gòu)造了基于Bouc-Wen模型的耗散增量函數(shù)，結(jié)合某心墻壩工程，分析了屈服曲線的發(fā)展形態(tài)，研究了土體動(dòng)力耗散特征及動(dòng)力變形機(jī)理。最后基于摻礫土及反濾料動(dòng)三軸循環(huán)試驗(yàn)，研究了Bouc-Wen模型在應(yīng)力控制條件下考慮土體累積變形的動(dòng)力特性等。 2100433B