高土石壩心墻多場耦合演化規(guī)律結題摘要

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，大壩所表現出的行為與低壩有很大差異。多座高心墻土石壩在建設和運行過程中實測的心墻應力、變形和超靜孔隙水壓力及其變化過程與計算值相差較大。這些現象根據已有的理論和方法難以解釋和模擬。本課題利用多種試驗設備，研究了非飽和壓實黏性土在復雜條件下的滲透特性和力學特性的變化特點；分析了多種因素影響的內在機理，建立相應的本構模型并開發(fā)了實用的模擬方法和計算程序；根據計算揭示了心墻內物態(tài)場、應力場、變形場、滲流場等的耦合演化規(guī)律，并應用于實際工程進行檢驗。本項目是在高土石壩工程實踐中凝練出的課題，創(chuàng)新點明確，研究成果對于揭示復雜應力條件下心墻多場耦合演化機理、優(yōu)化設計方案以及合理評價高土石壩的安全性具有指導作用，因而本研究既具有較大的理論意義又具有廣闊的應用前景。 2100433B

目前多座高心墻土石壩在建設和運行過程中實測的心墻應力、變形和超靜孔隙水壓力及其變化過程與計算值相差較大。這些現象根據已有的理論和方法難以解釋和模擬。本課題擬利用改進的三軸剪切滲流試驗設備，研究非飽和壓實粘性土在復雜條件下的滲透特性和力學特性的變化特點；分析多種因素影響的內在機理，建立相應的本構模型并開發(fā)實用的模擬方法；揭示心墻內物態(tài)場、應力場、變形場、滲流場等的耦合演化規(guī)律，并應用于實際工程進行檢驗。本項目是在高土石壩工程實踐中凝練出的課題，創(chuàng)新點明確，研究成果對于揭示復雜應力條件下心墻多場耦合演化機理、優(yōu)化設計方案以及合理評價高土石壩的安全性具有指導作用，因而本研究既具有較大的理論意義又具有廣闊的應用前景。

根據金屬應力腐蝕理論，應力狀態(tài)下的鋼筋在一定腐蝕環(huán)境中將表現出多場耦合行為，其銹蝕特性較單一環(huán)境因素作用時不同。本項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)境因素與拉應力相耦合，正確模擬混凝土內鋼筋銹蝕過程的實際工況，從微-細-宏觀尺度對不同條件下鋼筋的銹蝕特征進行系統(tǒng)研究；其次將分形理論與定量體視學相結合，探求不同腐蝕條件下鋼筋不均勻銹蝕的定量表征指標，基于粗糙表面分形模擬技術及時間序列方法，實現鋼筋銹蝕過程中表面形貌演化過程的數值模擬；最后結合損傷力學與分形理論，提出一種兼顧鋼筋不均勻銹蝕損傷細觀特征描述與宏觀損傷力學分析需要的分形損傷變量，建立宏-細觀結合的鋼筋銹蝕損傷演化方程與內蘊損傷變量的本構關系，為混凝土結構耐久性評估、壽命預測及數值模擬提供理論指導。

強震時，高土石壩頂部易出現心墻動強度不足問題。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強度，改善了心墻靜應力狀態(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。但心墻摻礫提高了心墻分擔地震剪應力的比例，降低了心墻適應變形的能力，增加了工程投資。目前由于心墻摻礫土料的動強度研究很少，特別是黏土握裹礫石結構的土體動力破壞機理分析嚴重滯后,導致實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，進行心墻摻礫土料的動強度試驗，研究其大應變滯回圈的表達方式、能量耗散及增量耗散函數。然后基于熱力學基本定律，討論心墻摻礫土料的大應變變形與破壞機理，提出心墻摻礫土料的動力破壞閾值標準。該課題對推動土體動力破壞標準研究有重要意義，在土石壩抗震及公路工程中有廣泛的應用前景。

強震時，高土石壩頂部易出現心墻動強度不足問題。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強度，改善了心墻靜應力狀態(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。但心墻摻礫提高了心墻分擔地震剪應力的比例，降低了心墻適應變形的能力，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密度、滲透性能、壓縮特性、抗剪強度及應力應變等工程特性。認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力特性，對其分別進行靜力和動力的三軸試驗，研究了不同固結比、不同摻礫比例、不同循環(huán)應力比對摻礫土動強度特性的影響。試驗結果表明: 動強度隨固結應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強度，隨著循環(huán)應力比增大動應變隨振次增大速率變大且轉折點較早出現。 運用統(tǒng)計方法，給出了堆石料動剪模量比衰減及阻尼比增長的平均曲線表達式。建立了反映筑壩土石料非線性和滯回性的變參數Ramberg-Osgood模型，討論了模型參數及參考剪應變的計算方法。推導了堆石料的增量耗散函數表達式，在熱力學基本定律的框架下，研究了堆石料的屈服函數，討論了其動力變形機理和第2閾值應變。對進一步認識筑壩土石料動應力變形特性有重要意義。 Bouc-Wen模型可以模擬大應變時土體的強度和剛度退化特性。研究中討論了大應變水平下阻尼調整的Bouc-Wen退化模型，分析了模型中各參數的物理意義及其對滯回圈的影響，探討了Bouc-Wen土體動力模型的適用條件，采用遺傳算法對Bouc-Wen土體動力模型的參數進行了辨識。構造了基于Bouc-Wen模型的耗散增量函數，結合某心墻壩工程，分析了屈服曲線的發(fā)展形態(tài)，研究了土體動力耗散特征及動力變形機理。最后基于摻礫土及反濾料動三軸循環(huán)試驗，研究了Bouc-Wen模型在應力控制條件下考慮土體累積變形的動力特性等。 2100433B