基于广义塑性模型的高面板堆石坝应力变形数值模拟

基于大型静力三轴压缩试验、等向压缩和卸载试验,构造了简捷的塑性模量表达式,建立了适用于堆石料的广义塑性本构模型。堆石料的本构模型模拟和三轴压缩试验的对比结果表明:广义塑性模型不仅能反映堆石料在低围压下的剪胀性和高围压下的剪缩性,而且能反映堆石料因颗粒破碎而引起峰值应力比和剪胀应力比的非线性变化特性。此外,有限元静力计算结果表明,坝体水平位移和沉降特性均符合高面板堆石坝的一般变形规律,量值在合理范围内。     

改进Ｒｏｗｅ剪胀方程和南水模型在面板堆石坝中的应用

基于面板堆石坝筑坝材料大型三轴试验数据，研究了南水模型和Ｒｏｗｅ剪胀方程的参数求取方法与应用范围，发现南水模型对于堆石料拟合效果欠佳。采用改进的Ｒｏｗｅ剪胀方程替换南水模型中切线体积比的表述公式，克服了南水模型在拟合体积应变曲线时的一些缺陷。通过编制改进后南水模型的非线性有限元程序，将其应用于工程实例中以验证改进模型。结果表明:改进后的南水模型可以较好地模拟堆石材料剪胀剪缩性，堆石料沉降量较原模型更接近实测值，适用于面板堆石坝的应力变形分析。     

筑坝堆石料的UH模型修正

对堆石料的UH模型进行了不同应力路径的适应性验证,结果表明,该模型在反映堆石料等比例加载时与试验规律存在一定误差,分析认为,原始UH模型的剪胀特征线假定不符合堆石料的变形规律。文中采用了新的塑性势面将原始的UH模型改进为服从非关联的流动法则,修正后的模型对各个应力路径的预测精度明显提高。按照类似的方式,对堆石料的UH动力模型进行了修正,并将修正后的UH动力模型用于预测花岗岩堆石料在循环剪切荷载下的累计变形现象,模型预测结果与试验规律能够较好吻合。     

堆石料在不同应力路径下的颗粒破碎特性

采用大三轴试验设备,对直径为300 mm、高为600 mm的圆柱体堆石料试样进行了三种不同应力路径的固结排水试验,包括常规三轴压缩试验、等平均应力试验及等向压缩试验,探讨不同应力路径下堆石料的颗粒破碎特性,常规三轴压缩试验围压为200、400、800、1 200 k Pa,等平均应力试验平均应力为200、400、600、800 k Pa。试验结果表明,应力路径对堆石料的颗粒破碎特性有很大的影响。常规三轴压缩试验的应力—应变关系近于双曲线,低围压时试样先剪缩后剪胀、高围压时剪缩;等平均应力试验的应力—应变曲线呈应变软化型,体变表现为先体缩后剪胀。计算得到的颗粒破碎指数表明,等平均应力试验的颗粒破碎最为严重,等向压缩试验的颗粒破碎轻微。     

再论粗粒土剪胀性模型

 介绍了2种堆石料大型三轴试验和平面应变试验的试验成果。假设土的应变分为弹性应变和剪胀应变,弹性应变与应力间服从广义虎克定律,剪胀应变服从Rowe剪胀方程,弹性泊松比为常数,完整地建立3参量Kp,Kq,G与应力关系式,初步提出了一种新的非线性剪胀模型,给出了模型参数的整理方法,论证了一般非线性弹性模型中泊松比的力学意义。试验表明,剪胀性模型能够很好地模拟堆石料的应力应变曲线,对于同一种堆石料,由三轴试验和平面应变试验得到的模型参数除强度指标外,其它参数有很好的一致性,并给出了2种堆石料的模型参数。该模型是一种力学概念明确,简单实用的非线性剪胀模型。     

考虑级配效应的堆石料颗粒破碎与变形特性研究

通过6组级配堆石料的相对密度试验和大型三轴试验,分析了堆石料级配与抗剪强度、剪胀性、压缩性及颗粒破碎之间的规律,建立了堆石料广义塑性模型参数与制样分形维数之间的函数关系式,并利用不同级配的三轴试验结果验证其合理性。结果表明:堆石料的性质与级配密切相关,采用制样分形维数的二次函数可以较好地反映级配对其物理力学性质的影响。研究结论可为考虑级配影响的堆石体应力变形计算提供依据。     

广义塑性模型在狭窄河谷面板坝中的应用

文章以黔中水利枢纽狭窄河谷面板坝为例,建立了相应的三维模型,采用广义塑性模型预测了堆石料三轴加载下的强度和变形特性,并将广义塑性模型嵌入数值模拟计算程序中计算了此面板坝的变形情况。预测结果表明:广义塑性模型可以较好地模拟堆石料三轴试验应力变形特性,计算结果可以反映堆石坝的变形情况,同样可以应用于土石坝工程变形计算。     

胶结砂砾石料剪胀方程研究

分析了胶结砂砾石料的剪胀特性及其与围压、胶结掺量之间的关系,探讨了Rowe剪胀方程、修正剑桥模型的剪胀方程对胶结砂砾石料剪胀性的适用性,在此基础上提出一种新的胶结砂砾石料剪胀模型。研究表明：修正剑桥模型的剪胀方程不能反映胶结砂砾石料的剪胀性;Rowe剪胀方程在一定程度上能反映粗粒土的剪胀性,但高围压下在压缩阶段低估了其压缩性、而在剪胀阶段则高估了其剪胀性。提出的新剪胀方程是一种二次函数,参数简单,只需通过胶结砂砾石料三轴剪切试验即可确定,利用几种胶结砂砾石料的试验结果能很好地验证其适用性。     

特高混凝土面板堆石坝的应力变形比较研究

结合金沙江拉哇特高混凝土面板堆石坝,分别采用邓肯E-B模型和河海统一广义塑性模型,考虑堆石料流变的遗传特性,进行大坝三维有限元分析,并在坝料相同试验结果的条件下对比研究两种不同本构模型下堆石体和面板应力变形的差异。结果表明:两种模型计算的堆石体应力变形规律相似,沉降差异不大,但河海统一广义塑性模型计算的堆石体水平位移及面板挠度均小于邓肯E-B模型;混凝土面板的位移分布差别较大,由于邓肯E-B模型不能考虑堆石料的剪胀性,计算满蓄期面板的变形远大于统一广义塑性模型结果;两种模型在满蓄期计算得到的应力较为接近,与统一广义塑性模型相比,邓肯E-B模型计算得到的堆石体第三主应力较小,面板压应力数值偏大,拉应力区域较大。不同本构模型的计算结果均说明拉哇特高混凝土面板堆石坝的变形与应力在安全范围内,现行设计方案可行。     

大型压缩试验在堆石坝应力变形分析中的应用

在大坝堆石料大型三轴压缩试验中，剪胀变形在总的体积变形中占有相当大的比例，由其试验结果所确定的模型体变参数通常会夸大剪缩的影响。本文提出了用大型侧限压缩试验结果修正堆石料本构模型体变参数的方法，使用清华非线性解耦KG模型，以茅坪溪心墙堆石坝变形计算分析为例，介绍了大型侧限压缩试验成果在定堆石体本构模型参数过程中的应用。通过与坝体变形实测结果的对比分析，证明使用经侧限压缩试验修正后的本构模型参数，可显著提高坝体变形的计算精度。     

广义位势理论本构模型的开发和验证

广义位势理论从数学原理出发,将主空间的应力应变关系转换成六维空间的应力应变关系,从而建立岩土材料的本构模型,具有明确的数学依据和更少的物理假设。然而,将广义位势理论的本构模型开发到大型数值分析软件,并在六维应力应变空间中进行数值计算和验证的工作尚不多。为此,介绍了广义位势理论的多重势面模型和二重势面模型,详细分析了2种模型用于数值计算的弹塑性矩阵,并以2个二重势面模型(不考虑剪胀性的类剑桥模型和考虑剪胀性的类剑桥模型)为例,在数值分析软件FLAC3D中实现2个模型的开发。将开发的本构模型在FLAC3D的六维应力应变空间中进行计算分析,通过对比数值计算结果和室内三轴试验成果,说明了广义位势理论的本构模型在六维应力应变空间的计算精度是较高的,从而验证了理论模型的科学性和开发软件的正确性。     

考虑级配影响的堆石料强度与变形特性

利用大型三轴仪选用一种典型堆石料,通过设置4种级配、4种相对密度开展一系列不同围压作用下的大型三轴压缩试验,以研究级配、密度、应力状态等因素对堆石料强度与变形特性的影响。基于以上试验,对比分析不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的应力变形特性,结果表明:试样颗粒越粗,剪切过程中试样越呈现应变硬化和压缩变形特性,随着颗粒逐渐变细,应变软化和剪胀特性愈加明显;堆石料强度与变形特性不仅与其密实和所处的应力状态有关,而且初始级配对其强度与变形特性有显著影响;堆石料强度包络线符合幂函数关系,并通过分析计算验证了其合理性与正确性。分析结果为进一步研究堆石料的状态相关剪胀理论及状态相关本构模型奠定了基础。     

混凝土面板堆石坝变形非线性有限元分析

介绍堆石体的几种本构模型 ,用二维有限元方法分析了混凝土面板堆石坝的应力变形特性。用邓肯E—B模型和双屈服面模型计算了同一个 10 0m高的均质坝 ,其计算结果是堆石体的位移分布与应力分布都相同 ,但邓肯模型的位移值、应力值都比双屈服面模型的大。     

不同应力路径下粗粒料的颗粒破碎试验研究

采用大型三轴试验机,对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验,研究了粗粒料在不同应力路径下的颗粒破碎情况,分析了应力路径对颗粒破碎和强度特性的影响,并对颗粒破碎与塑性功之间的关系进行了探讨。试验结果表明,应力路径对粗粒料的强度特性影响并不显著;颗粒破碎主要与加载过程中输入的塑性功有关,颗粒相对破碎率随着输入塑性功的增大而增大,与塑性功呈较好的双曲线关系;颗粒破碎的增加将导致峰值内摩擦角的减小,峰值内摩擦角与颗粒相对破碎率之间呈线性关系。     

两河口堆石坝堆石料蠕变特性试验研究

针对堆石料蠕变的力学特性,采用大型高压三轴蠕变仪,对两河口堆石坝堆石料进行了蠕变试验。试验在常规等围压加载方式的基础上,采用了等应力比加载方式,并对堆石料蠕变试验的结果和加载方式进行了讨论。结果表明采用等应力比加载方式,堆石料变形更接近堆石料实际蠕变过程。     

基于离散元的颗粒材料三维临界状态与剪胀特性研究

临界状态通常作为砂土等颗粒材料本构模型中的一种参考状态,是经典土力学框架的一个重要组成部分。根据砂土的细观结构特性,一些学者提出了描述砂土内部结构特性的状态参量,建立了状态相关的剪胀模型。然而受试验条件的限制,目前多采用常规三轴试验研究颗粒材料的临界状态和剪胀特性,未考虑中主应力因素。已有研究表明加载路径对颗粒材料的力学特性有一定影响,本文采用离散单元法模拟了颗粒材料真三轴应力路径试验,分析了加载过程中颗粒材料的应力应变特性及中主应力对临界状态的影响。结果表明:颗粒材料的临界状态线(CSL)在e-lg p平面内是唯一的,与中主应力系数无关。临界状态应力比与应力罗德角的关系可以采用角隅函数近似表达。基于状态相关的剪胀理论,采用Lode角的函数(角隅函数)表示模型参数,提出一个新的应力-剪胀模型。数值试验结果表明,本文采用的三维剪胀模型能够较好地反映了离散元数值模拟中颗粒材料在三维应力路径下的剪胀特性,然而公式的适用性需要更多的试验验证和理论研究。