基于二元并联模型的胶凝砂砾石材料本构模型研究

胶凝砂砾石材料是一种贫胶筑坝材料,其应力应变特征不同于常规混凝土,在通过数值模拟对胶凝砂砾石材料的强度进行模拟分析时,无法选用混凝土的本构模型进行计算。通过对不同围压胶凝砂砾石材料应力-应变曲线特征进行分析可知,胶凝材料用量对其本构模型影响较大。对此将表征胶凝砂砾石初始形成状态的堆石体概化为“堆石元件”,将胶凝材料的胶结作用概化为“胶结元件”。基于二元并联概念模型引入经验系数,考察不同胶凝材料用量对材料应力-应变关系的影响,从而建立胶凝砂砾石材料本构模型,并通过大三轴试验数据对本构模型进行了验证。模型计算结果与实验数据拟合度良好,说明该模型可较好地描述不同胶凝材料用量下胶凝砂砾石材料应力-应变曲线非线性特征。     

非线性K-G模型对胶凝砂砾石材料的适应性

非线性K-G模型最初是基于堆石料三轴试验提出的土体本构模型。胶凝砂砾石材料是一种力学性质极其复杂的新型筑坝材料,其颗粒组成和力学性质与堆石料有较大的区别。通过试验研究,在非线性K-G模型的基础上,提出了该模型的体积变形模量Kt和剪切变形模量Gt的求取方法。根据三轴试验数据,利用该模型计算相应参数,并预测应力—应变曲线,结果表明:该模型能较好地模拟胶凝砂砾石材料的应力—应变曲线,能用于胶凝砂砾石材料的相关计算分析。     

胶凝砂砾石材料抗压强度与剪切强度关系研究

通过胶凝砂砾石材料单轴抗压试验和三轴剪切试验,分析材料的应力应变曲线特征。胶凝砂砾石材料在低应力水平下表现出线弹性性质,随着应力逐步增大进入塑性阶段,直至达到峰值强度,随后随着应变的增大,应力降低,体现出明显的软化特征,最终趋于残余强度。定量分析曲线各阶段特征强度得出,随着围压的增大,胶凝砂砾石材料峰值强度及屈服强度均增大,呈现出较为明显的线性相关性。基于试验数据,建立了三轴试验曲线各特征强度与围压之间的关系,结合三轴试验的应力应变曲线,得到了材料抗剪强度指标值,并拟合材料抗压强度与凝聚力及内摩擦角的曲线函数,建立起三轴试验与单轴试验力学指标之间的对应关系。     

基于强度参数演化的胶凝砂砾石材料本构关系研究

胶凝砂砾石材料应力-应变关系具有明显的弹塑性和应变软化特性,当前其本构关系推导较为复杂。针对这一问题,本文借鉴岩石材料峰后强度参数演化行为,基于摩尔-库伦强度准则,采用最大主应变ε₁作为应变软化参数,将凝聚力c、内摩擦角φ看作ε₁的分段线性函数,较为简便的推导胶凝砂砾石材料的本构关系。由本构关系式拟合得到不同围压时胶凝砂砾石材料应力-应变关系曲线变化趋势与三轴试验数据吻合良好,说明该方法得到的本构关系可以反映胶凝砂砾石材料的应力-应变特征。     

考虑冻融损伤影响的胶凝砂砾石仿真分析

胶凝砂砾石材料是一种全新的环保型筑坝材料,关于其冻融问题的研究目前较少。根据水泥基材料的冻融损伤规律,按照等应变假设,建立基于动弹性模量的胶凝砂砾石冻融损伤度模型,并对已有冻融试验结果进行回归分析,确定系数在0.94以上。以三维温控数值分析方法为基础,融合冻融损伤度模型,实现胶凝砂砾石结构的三维冻融仿真分析。算例分析表明:在冻融循环作用下,胶凝砂砾石结构应力发展和分布规律非常复杂,在正负温交替期会产生应力拐点,拉应力由表及里逐渐减小,最大拉应力出现在结构表面,为0.38 MPa。     

胶凝砂砾石材料力学特性、耐久性及坝型综述

总结了胶凝砂砾石材料力学特性、胶凝砂砾石坝数值分析方法、坝体基本剖面设计原则,以及其在温度变化及冻融影响下的耐久性等,介绍了胶凝砂砾石材料本构模型研究、力学模型试验及坝体剖面设计研究主要成果。胶凝砂砾石材料受胶凝材料用量、含砂率、水胶比、骨料级配、围压及龄期等多种因素影响,国内外学者通过单轴或三轴试验取得的成果缺少系统性和相关性。只有在考虑各种影响因素的情况下,通过全面系统的拉、压试验和三轴剪切试验,才能真正了解胶凝砂砾石材料的力学特性及强度变化规律。     

浇筑式沥青混凝土应力应变关系试验研究

对以天然砂砾石作为骨料的浇筑式沥青混凝土在不同沥青用量和不同温度条件下进行三轴试验。结果表明:浇筑式沥青混凝土的应力应变曲线呈现出应力硬化形态,且随着沥青用量的增加、温度的升高,应力硬化现象更加明显,双曲线段范围增大;邓肯-张模型及修正邓肯-张模型的理论曲线与试验曲线均吻合较好,主要模型参数随沥青用量增加或温度升高均呈下降趋势。通过对比两种本构模型破坏偏应力随围压的变化情况发现,在较高围压情况下,随着围压的升高,修正邓肯-张模型的破坏偏应力趋于平缓,增幅小,而邓肯-张模型的破坏偏应力几乎呈线性增加,其值明显大于修正邓肯-张模型的破坏偏应力,因此修正模型更加符合浇筑式沥青混凝土的强度特性。     

覆盖层上胶凝砂砾石坝应力应变特征及影响因素

为了研究在覆盖层上的胶凝砂砾石坝的应力应变特征及影响因素,为未来在覆盖层上建造胶凝砂砾石坝做准备,使用三维有限元模拟,基于一种考虑了围压的修正邓肯—张模型模拟胶凝砂砾石料,对正常工况下的覆盖层上的胶凝砂砾石坝进行了模拟,并分别考虑了覆盖层厚度、弹性模量以及坝体胶凝材料掺量对覆盖层上胶凝砂砾石坝坝体内部的应力应变的影响。结果表明:覆盖层厚度、弹性模量以及坝体胶凝材料掺量与坝体位移呈现明显的线性关系,坝体位移随着覆盖层厚度的增加与弹性模量的降低而增大,但对坝体大、小主应力的影响不明显。即使在较软、较厚的覆盖层上,胶凝砂砾石坝仍然可以承受较大的变形而坝体内部应力变化不剧烈。该研究成果可以为胶凝砂砾石坝的选址提供一定的参考作用,可拓宽胶凝砂砾石坝的选址范围。     

胶凝砂砾石料动力特性试验

为研究胶凝砂砾石料的动力特性,采用大型动力三轴试验仪进行胶凝掺量为60 kg/m3的胶凝砂砾石料的动力试验,分析了材料最大动弹性模量与围压之间的关系,推导了非线性动弹性模量及阻尼比的表达式。试验结果表明:胶凝砂砾石料的动应力动应变关系具有明显的非线性特征,且受围压的影响较大;材料动弹性模量随动应变的增大而减小,而阻尼比则相应增大,并趋于某最大值;动应变一定时,围压增大引起材料动弹性模量增大,而阻尼比则随之减小。     

超贫胶结材料三轴试验

在前期大量单轴试验的基础上,对超贫胶结材料试件进行了三轴试验,得到不同胶凝材料用量、不同围压下的应力-应变曲线,分析了胶凝材料用量及围压对应力-应变曲线的影响,探讨了不同试验条件下试件的强度、体积变形规律以及残余强度等,为超贫胶结材料本构模型的建立奠定了基础。