高應(yīng)力作用下粗粒土細(xì)觀力學(xué)及壩工特性研究中文摘要

近年我國超高壩建設(shè)發(fā)展較快，對在髙應(yīng)力下粗粒土力學(xué)和壩工特性的研究引起較多學(xué)者的關(guān)注。本項(xiàng)目擬采用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置及可視化細(xì)觀測試分析系統(tǒng)，利用多種試驗(yàn)手段和數(shù)值模擬，從細(xì)觀層面入手、細(xì)宏觀相結(jié)合來研究在髙應(yīng)力作用下粗粒土細(xì)觀力學(xué)及壩工特性：(1)通過粒間接觸和流變試驗(yàn)，建立髙應(yīng)力下粒間接觸模型和流變模型，結(jié)合離散元數(shù)值模擬揭示粒間接觸細(xì)宏觀力學(xué)之間的聯(lián)系；(2)通過可視大型直剪試驗(yàn)，揭示粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細(xì)觀力學(xué)機(jī)理；(3)通過可視離心機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證粒間接觸模型和流變模型，揭示接近實(shí)際應(yīng)力場條件下粗粒土破壞的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理及與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系；(4)結(jié)合實(shí)際工程，采用離散-連續(xù)混合數(shù)值方法，分析超高土石壩結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)的細(xì)觀演化規(guī)律，從細(xì)觀角度揭示超高土石壩破壞過程的力學(xué)機(jī)理。本研究可為髙應(yīng)力下粗粒土的深入研究提供細(xì)觀力學(xué)基礎(chǔ)，為超高土石壩工程性能的分析和評價(jià)提供理論依據(jù)。

近年我國超高壩建設(shè)發(fā)展較快，對在髙應(yīng)力下粗粒土力學(xué)和壩工特性的研究引起較多學(xué)者的關(guān)注。本項(xiàng)目在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，利用自主研發(fā)的試驗(yàn)裝置及可視化細(xì)觀測試分析系統(tǒng)，進(jìn)行了室內(nèi)高應(yīng)力顆粒接觸試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)，并結(jié)合離散元數(shù)值模擬，從細(xì)觀層面入手、細(xì)宏觀相結(jié)合系統(tǒng)研究了在髙應(yīng)力作用下粗粒土細(xì)觀力學(xué)及壩工特性。 通過粒間接觸和流變試驗(yàn)，揭示了粗粒土顆粒接觸特性的力學(xué)機(jī)理，發(fā)現(xiàn)板巖和石膏的法向接觸剛度值相差4倍，球-面接觸試驗(yàn)的法向接觸剛度是球-球接觸試驗(yàn)的法向接觸剛度的1.7倍。建立了彈性核尺寸與球形顆粒材料力學(xué)性質(zhì)和顆粒尺寸相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式。建立了球形顆粒球-球法向接觸破碎準(zhǔn)則和石膏顆粒三點(diǎn)接觸下顆粒破碎強(qiáng)度準(zhǔn)則。建立了髙應(yīng)力下粒間接觸模型和流變模型，結(jié)合離散元數(shù)值模擬揭示了粒間接觸細(xì)宏觀力學(xué)之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)了對顆粒內(nèi)部破碎的細(xì)觀過程和彈性核發(fā)展過程的觀測。 通過可視大型直剪試驗(yàn)，揭示了粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細(xì)觀力學(xué)機(jī)理。通過對大型直剪數(shù)值試驗(yàn)中顆粒的細(xì)觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在剪切過程中剪切帶的形成與發(fā)展并不是嚴(yán)格按照上下盒之間的剪切縫展開，而是沿著向上突起的拱形滑動(dòng)面發(fā)展。 通過可視離心機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證了粒間接觸模型和流變模型，揭示了接近實(shí)際應(yīng)力場條件下粗粒土破壞的細(xì)觀力學(xué)機(jī)理及與宏觀力學(xué)響應(yīng)之間的內(nèi)在聯(lián)系。通過對不同粒徑大小的粗粒土壩體，在不同離心加速度下進(jìn)行模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)離心加速度對于粗粒土的粒徑具有明顯的放大作用。 本課題從粗粒土顆粒接觸角度研究顆粒破碎的力學(xué)機(jī)理，開辟了研究粗粒土顆粒破碎的新途徑，不僅為髙應(yīng)力下粗粒土的深入研究提供了細(xì)觀力學(xué)基礎(chǔ)，也為超高土石壩工程性能的分析提供理論依據(jù)。本項(xiàng)目組已獲得國家實(shí)用新型專利一項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文9篇，其中SCI、EI論文8篇。 2100433B

我國西南地震帶附近已建或在建了一大批高堆石壩，其中許多壩高達(dá)到了200-300m級。由于壩高、庫大，一旦遭遇超強(qiáng)震而失事，其后果不堪設(shè)想。由于地震動(dòng)作用的復(fù)雜性、堆石體材料的非連續(xù)、非均質(zhì)及各向異性等使得人們對堆石體宏細(xì)觀動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識還不夠深入，關(guān)于地震動(dòng)作用下的堆石體錨固作用的研究還不能滿足工程實(shí)踐的需求。本項(xiàng)目以地震動(dòng)作用下堆石體的細(xì)觀響應(yīng)為研究主線，通過室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)及數(shù)值模擬在宏、細(xì)觀多層次上研究地震作用下堆石體錨固效應(yīng)的細(xì)觀機(jī)制?？紤]地震動(dòng)對顆粒破碎的影響，引入損傷變量建立堆石體動(dòng)力本構(gòu)模型；研究堆石顆粒表面細(xì)觀特征對地震響應(yīng)的影響，建立三維隨機(jī)多面體動(dòng)力接觸模型；提出三維隨機(jī)散粒體動(dòng)力細(xì)觀模型，改進(jìn)現(xiàn)有的堆石體宏觀本構(gòu)模型。研究成果將有助于推動(dòng)堆石體宏細(xì)觀動(dòng)力學(xué)發(fā)展，可為我國西部高地震烈度地區(qū)高堆石壩工程的設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步完善高堆石壩設(shè)計(jì)理論。

目前，我國西南地震帶附近已建或在建了一批200-300m級高堆石壩，因此深入認(rèn)識地震作用下的堆石體錨固效應(yīng)細(xì)觀機(jī)制并確保大壩在極端條件下的安全穩(wěn)定有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目以地震動(dòng)作用下堆石體的細(xì)觀響應(yīng)為研究主線，考慮了動(dòng)力作用對堆石體顆粒破碎的影響，建立了堆石顆粒動(dòng)力損傷本構(gòu)模型。顆粒破碎對顆粒集合體的力學(xué)響應(yīng)有著顯著的影響，本項(xiàng)目一方面研究了考慮真實(shí)形狀的單顆粒破碎的力學(xué)行為，并發(fā)現(xiàn)了顆粒形狀對于破碎強(qiáng)度的韋伯分布影響的一般規(guī)律；另一方面，進(jìn)一步對不同破碎模式帶來的宏細(xì)觀影響進(jìn)行探究，模擬了不同破碎模式下，單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中顆粒集合體破碎演化過程及結(jié)果，重點(diǎn)探究了靜水壓力狀態(tài)對破碎演化帶來的影響，并對破碎發(fā)生的空間關(guān)系進(jìn)行了分析。同時(shí)，本項(xiàng)目研究了堆石顆粒表面細(xì)觀特征對動(dòng)力響應(yīng)的影響，建立了三維隨機(jī)多面體顆粒動(dòng)力接觸模型和錨桿與堆石體相互作用動(dòng)力接觸模型，提出了考慮堆石體動(dòng)力錨固效應(yīng)的三維隨機(jī)散粒體模擬方法。通過物理試驗(yàn)和數(shù)值分析，在宏、細(xì)觀多層次上揭示動(dòng)力作用下堆石體的力學(xué)響應(yīng)及錨固效應(yīng)作用機(jī)理；改進(jìn)了現(xiàn)有的堆石體宏觀動(dòng)力本構(gòu)模型，并探討其合理性和適用性，并提出了加錨堆石體宏觀力學(xué)參數(shù)的確定方法。本項(xiàng)目的研究成果將有助于推動(dòng)堆石體宏細(xì)觀動(dòng)力學(xué)發(fā)展，可為我國西部高烈度地震區(qū)的200m~300m級高堆石壩建設(shè)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持，并推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)和研究工作的發(fā)展，提高我國高堆石壩的設(shè)計(jì)和研究水平。 2100433B

隨著地下工程不斷向地層深處發(fā)展，對高應(yīng)力水平下土層力學(xué)性質(zhì)的研究需求日趨迫切，然而目前關(guān)于高應(yīng)力水平下粘土的力學(xué)特性研究十分缺乏。本項(xiàng)目基于結(jié)合水與土骨架相互作用是高應(yīng)力水平下飽和粘土力學(xué)響應(yīng)的決定性影響因素的研究思想，首先對飽和粘土進(jìn)行高應(yīng)力水平下不同排水條件、固結(jié)路徑和剪切應(yīng)力路徑的室內(nèi)試驗(yàn)研究；同時(shí)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果并利用結(jié)合水與土骨架相互作用的微觀理論，分析獲得飽和粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性的微觀內(nèi)在機(jī)理；并將該機(jī)理引入到基于離散元理論的顆粒流數(shù)值模擬程序，進(jìn)行試樣水平的數(shù)值試驗(yàn)；然后綜合分析離散元數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，提出與現(xiàn)有土力學(xué)理論相銜接的粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性宏觀機(jī)理模型；最終建立可以合理描述飽和粘土高應(yīng)力水平力學(xué)特性的固結(jié)理論和本構(gòu)關(guān)系，并對其展開大變形有限元模擬實(shí)現(xiàn)研究。