统一考虑加载变形与流变的粗粒土弹塑性本构模型及应用

实测资料表明,现行粗粒土本构模型明显低估高度200m以上特高土石坝的沉降量,主要原因之一是现行本构模型普遍割裂加载变形与流变,计算时忽略施工过程中坝料产生的流变。在总结分析典型粗颗粒土石料流变特性的基础上,以应力、应变和时间为基本变量,提出了一个可以统一模拟粗粒土加载变形、流变、应力松弛等性质的弹塑性本构模型。模型假定加载塑性变形和流变可同时发生,应力和时间变化均会引起屈服面扩张,从而产生塑性变形,但两者服从不同的塑性流动准则。运用某特高心墙堆石坝坝壳堆石料和砾石土心墙料的试验结果对模型的合理性进行了验证,并对该大坝填筑施工过程进行了模拟。计算结果表明,忽略坝料施工期流变可使大坝竣工期沉降量低估10%以上。因此,采用统一模拟粗粒土加载变形与流变的本构模型可有效提高特高土石坝变形的预测精度。     

堆石料流变应变的硬化特性试验研究

堆石料流变变形是高土石坝工程长期变形的重要来源之一,过大的长期变形可导致发生坝体裂缝和面板挤压破损等问题。目前常用的流变模型主要是根据单级加载流变试验成果建立的,未考虑多级加载情况下堆石料加载变形和流变变形之间的相互影响。研制了三轴仪油压伺服轴向应力稳压器,实现了应变控制进行应力加载和应力控制进行稳压流变的联合控制模式,据此提出了一种进行多级应力加载和流变的三轴试验方法,可有效避免流变的起算时间问题。采用糯扎渡弱风化花岗岩堆石料,进行了系列的多级加载三轴流变试验。根据试验结果,探讨了多级加载条件下堆石料应力应变曲线的分段特性,发现堆石料流变变形会引起堆石料的塑性硬化,可使得堆石料在后续应力加载的一定范围内处于弹性再加载状态。基于弹塑性理论,探讨了堆石料流变硬化特性的作用机理,表明堆石料流变的硬化特性具有普遍性,是流变的一项固有属性。     

堆石料流变的黏弹塑性本构模型研究

堆石坝流变变形主要是堆石料在环境因素作用下的劣化和高接触应力下的颗粒破碎重排引起的。在等向压缩方程中引入反映堆石料颗粒强度的固相硬度参数,选用双曲线型式的固相硬度衰减模型,以反映堆石料颗粒强度随时间劣化的特性;在分析堆石料流变试验结果的基础上,建立了流变变形的双曲线型流动准则;推导了流变变形的计算公式,并构建了流变模量表达式,从而建立了一个可统一考虑加载与流变过程的堆石料黏弹塑性本构模型。通过模拟两种典型堆石料的流变试验资料验证了模型的有效性。     

土质心墙堆石坝应力和变形研究

论述了考虑坝体流变和上游坝壳料浸水变形特性的土质心墙堆石坝应力和变形的计算方法，以黑河水库大坝为例，采用三维有效应力法对坝体的应力和变彤特性进行了分析研究，结合已有的坝体变形观测资料，反馈分析了坝体流变模型参数，并对坝体的后期变形进行了预测，重点研究了心墙应力、拱效应和心墙开裂等特性。     

堆石流变试验及双屈服面流变模型的研究

通过对两类不同岩性的堆石料作室内三轴流变试验,研究了堆石料的流变特性,试验结果表明流变体积应变和广义剪应变随时间均呈双曲线变化。殷宗泽曾以椭圆–抛物双屈服面弹塑性模型为基础,提出了一个综合反映堆石料瞬时变形和流变的双屈服面流变模型的初步框架。结合堆石流变试验规律,将该模型用于模拟试样在不同应力状态下的流变变形的发展,确定了模型参数的计算方法,初步验证该模型的合理性和有效性。该模型能反映复杂加载情况,反映剪胀、剪缩特性和流变特性。     

高土质心墙坝坝顶裂缝模拟方法及应用

土质心墙坝坝顶裂缝是目前高土石坝建设及运行中常遇到的病险,其发生和发展大大增加了工程的安全风险。基于扩展有限元的位移模式提出了坝顶裂缝的模拟方法并将其运用到瀑布沟土心墙坝坝顶裂缝模拟中。首先介绍了坝顶裂缝模拟方法的基本原理,其后采用神经网络遗传算法对瀑布沟心墙坝典型监测点监测数据进行了反演,采用反演得到的模型参数同时考虑筑坝料湿化、流变及固结,进行了瀑布沟心墙坝坝顶裂缝模拟。结果表明:采用反演参数计算得到的坝体变形与监测资料较为吻合;蓄水后坝体最大沉降3.27m,向上游最大水平位移1.17m,上游堆石料湿化沉降最大达0.48m,上游坝壳的湿化变形作用导致了坝顶上下游的不均匀变形;模拟得到的坝顶裂缝首次发生在满蓄后,距离坝轴线4.75 m位置处,1个月内裂缝扩展至1.75 m深度(坝顶填土内,未扩展至心墙),运行10 a间坝顶裂缝未发生实质性发展;此外,不考虑上游坝壳湿化时坝顶未有裂缝产生,考虑湿化而不考虑流变时坝顶裂缝扩展深度最大为1.25 m,最大张开宽度为2.7 cm。相关成果可为类似特高土心墙坝工程预防坝顶裂缝的发生提供相关参照。     

基于分形理论的堆石料级配设计方法

根据分形理论,推导了堆石料级配的分形分布公式。利用6座心墙坝和5座200 m级面板坝工程的现场级配检测资料进行验证,相关系数基本在0.95以上,吻合较好;相对于不均匀系数Cu和曲率系数C_c指标,粒度分形维数可以更客观地反映堆石料填筑级配平均特性;对英安岩、凝灰岩和混合岩等不同母岩特性的缩尺堆石料进行了室内干密度试验研究,同时结合水布垭等4座大坝原级配堆石料的检测资料,研究了级配(粒度分形维数)与压实干密度的关系,认为级配是影响堆石料压实性能的主要因素;利用粗粒土级配的Cu,C_c与分形维数的关系,首次提出了堆石料、过渡料等大粒径筑坝材料的良好级配范围,其粒度分形维数在2.22~2.63之间。研究结论可为堆石料的级配设计与优化提供依据。     

梅溪覆盖层上混凝土面板堆石坝流变变形反馈分析及安全性研究

在整理分析覆盖层上面板堆石坝变形观测资料的基础上,对坝体堆石料模型计算参数及流变模型参数进行反馈分析。根据反馈分析得到的计算结果,采用双屈服面弹塑性模型,用三维有限元法分析研究坝体、坝基、混凝土面板、防渗墙和趾板应力及变形的分布规律,得出了有价值的计算分析结果,论证了该坝运行期间的安全性。通过对该坝的流变计算,得出坝体、坝基流变变形较小,而且基本趋于稳定的结论。     

300m级超高面板堆石坝变形规律的研究

采用三维有限元数值分析方法研究了300m级超高混凝土面板堆石坝的变形规律。指出坝体分区、筑坝材料特性特别是流变特性是影响超高面板堆石坝变形性状的主要因素,要重视超高面板堆石坝上游部分坝体变形的鼓肚现象。建议了合理选择筑坝材料,适当提高下游堆石区填筑标准、全断面均衡填筑、上部1/3左右坝体采用变形模量较高的坝料,待坝体变形基本趋于稳定才浇筑面板以及考虑设置面板永久水平缝等工程措施来改善超高面板堆石坝的应力变形性状。     

筑坝土石料的统一广义塑性本构模型

室内三轴试验资料的分析表明：与砾石土心墙料不同,密实堆石料、砂砾料的破坏应力比,随围压的增长出现明显降低;而反映坝料剪胀特征的应力比,随着围压的增长基本不变。根据试验资料,建立了描述土石料剪胀状态和破坏状态的统一应力表达式;针对现有广义塑性模型不能合理反映土石料压缩性的问题,采用改进剪胀方程,利用室内压缩试验和三轴剪切试验成果,构造弹性和塑性模量,提出了一个可以考虑土石料复杂加载特性的实用的统一广义塑性本构模型;将上述模型编制程序,模拟土石料的试验加载,得到预测值与试验数据吻合良好,可较好反映筑坝土石料的应力变形特性。     

考虑流变效应的高心墙堆石坝应力变形分析

采用三维有限元法对某高心墙堆石坝的应力变形进行了计算分析,数值结果表明,大坝的应力变形值在合理范围内,基本稳定期的坝体沉降约占坝高的1．07％,该心墙堆石坝的位移及应力分布符合心墙堆石坝应力变形的一般规律。     

高堆石坝土工格栅抗震加固效果分析

强震区高堆石坝坝顶堆石体常由于地震加速度放大效应处于不稳定状态,目前比较经济有效的抗震措施是在坝顶一定范围内加筋来提高堆石体的强度和自稳能力。土工格栅以其与土石体相互作用的优越性而被广泛运用于土石坝坝顶抗震加固工程。以 240 m 高长河坝心墙堆石坝为例,分析土工格栅对强震区坝顶堆石体的抗震加固效果。运用时程法对加筋坝体进行动力反应分析,利用动力响应应力结果并结合 Newmark 滑块法理论,采用滑面应力分析有限元法对加筋限制高堆石坝地震永久变形的工程效果进行研究和探讨。结果表明,动力作用下格栅所受最大拉力远小于其抗拉强度,且加筋基本不影响坝体动力反应结果。可一旦坝坡发生滑移,加筋能使地震永久位移减少 40% ～ 50% ,有效限制坝顶堆石体侧向滑移,提高了坝体抗震稳定性。抗震稳定性又对加筋长度与竖向加筋间距敏感,较适宜的加筋长度及间距分别为 40 ～ 60 m 和 1 ～ 4 m 。     

洪家渡200m级高面板堆石坝变形控制技术

针对已建200 m级高面板堆石坝出现的问题,结合洪家渡坝工程特点,开展了坝体变形特性及控制技术研究。探讨了200 m高坝变形规律与特点,从筑坝材料选择、堆石结构分区及填筑施工等方面进行坝体变形控制,提出了堆石预沉降控制量化指标,提高堆石压实度、坝内陡边坡整形与设增模碾压区、填筑施工总体平衡上升等变形控制集成技术,并应用于洪家渡坝,取得了坝体变形小、面板无结构性裂缝和坝体渗漏量小的良好效果。     

基于累积损伤理论的土石坝地震永久变形分析

以龙冈的在不规则荷载作用下土体应变的累积损伤理论为基础,提出了基于累积损伤理论的土石坝地震永久变形分析方法。采用大型静力和动力三轴仪,对某土石坝筑坝材料的静动变形特性进行了试验研究,确定了筑坝材料的静力和动力应力应变关系、累积应变模型和相应的材料参数。利用该方法,分别对在日本2008年6月14日岩手—宫城内陆M7.2级地震作用下该土石坝的在建坝体和竣工后坝体的地震永久变形特性进行了研究。结果表明：在建坝体的坝内沉降计算值与现场实测值基本吻合,并且通过与其它土石坝实测值的比较,说明竣工后坝体的坝顶沉降预测值在合理范围之内。     

高堆石坝流变机理的组构理论分析方法

提出了采用颗粒材料的组构理论分析高堆石坝流变变形机理的方法,从堆石体材料的细观角度探讨堆石集合体的宏观力学和变形响应。现有研究成果表明:仅仅采用孔隙率和干密度不足以完全表达堆石体材料的离散特征,组构分析的张量不仅包含上述宏观指标所表达的力学意义,而且还包含堆石体在空间的分布情况。组构张量包含以下具体涵义:堆石体颗粒本身的几何特征、堆石体在空间的分布、堆石体颗粒间的相互作用等。堆石体组构张量与应力张量和应变张量有密切的关系,从组构张量的变化可以导出堆石体的变形机理和规律,从而揭示堆石体材料流变变形的细观机理。     

高心墙堆石坝坝基廊道受力特性研究

在中国水资源最为丰富的西部地区,河床覆盖层厚达数十米甚至百米,一大批土石坝正在和将在这些大江大河上建设。坝体心墙与坝基防渗墙多采用廊道这种结构型式进行连接,廊道受力条件复杂,是工程成败的关键,但是有些已建工程却出现了廊道漏水的现象,廊道开裂和结构缝破坏成为亟待解决的问题。为了对廊道受力情况和开裂规律有一个清楚的认识,分析总结了几个工程廊道的监测资料,同时基于混凝土非线性本构理论,建立有限元模型对廊道进行了数值模拟。对监测结果和数值计算结果进行对比分析之后,探讨了廊道中的结构缝问题和廊道整体的受力规律,指明了廊道中需要重点关注的易开裂部位,为廊道合理配筋提供了指导,同时为类似工程的决策提供参考。