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。     

高土石坝变形破坏过程预测理论和防控技术创新

中国是世界上高土石坝数量最多的国家,复杂建坝条件和恶劣服役环境下高土石坝建设和长期安全保障面临严峻技术挑战。介绍了“十三五”国家重点研发计划项目“复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术”的主要成果：揭示了粗粒土颗粒破碎对高土石坝变形的影响机制、粗粒土加载变形和流变变形服从不同流动准则的规律,以及坝基深厚覆盖层原位结构损伤演化规律,建立了精准预测高土石坝坝体和坝基变形发展过程和分布规律的本构理论;基于计算接触力学理论建立了模拟高土石坝不同材料界面复杂接触问题的非线性数值计算方法和模拟高土石坝三维裂缝萌生—扩展全过程的数值计算方法;发展了实用的非饱和土固结理论,实现了高心墙坝全生命期变形与渗流耦合过程的精细模拟;建立了高面板坝面板太阳热辐射温度应力场和结构破损过程模拟计算方法;研发了适用于高土石坝填筑、蓄水、运行等全过程模拟的高性能软件平台;针对特高土石坝建设和运行过程中常见病害,提出了相应的特高土石坝变形破坏防控技术。     

瀑布沟水电站黑马Ⅰ区防渗料的选择

介绍了瀑布沟土石坝选用黑马Ⅰ区防渗料的勘测过程，级配组成，性能和渗透特性，试验研究表明，黑马Ⅰ区砾质土料在剔除80mm以上粗粒后，其渗透性，压实性满足设计要求，可作为大坝心墙的防渗料。     

高土石坝地震反应和破坏机理分析

应用动力弹塑性分析方法对高土石坝的地震反应特性和破坏机理进行了系统研究。通过研究地震动作用下坝体的剪应变、永久位移以及网格变形的变化规律,并与振动台模型试验的结果进行对比,说明了坝体上部1/5范围内变形较大,竖向地震动对坝坡稳定性影响明显,验证了FLAC程序模拟高土石坝地震反应的合理性;同时分析了坝高、坝坡和地震动峰值参数变化对大坝破坏形态的影响,研究结果为大坝的设计、安全评价和抗震措施研究提供理论基础。     

掺砾改性砾石土心墙料的应力应变特性研究

结合采用掺砾改性砾石土作心墙料的某水电站项目,通过高压大型三轴试验,对心墙防渗料的应力应变特性进行了研究;给出了E-μ模型参数和原成都科大简化K~G模型参数,为工程决策提供依据。结果表明,该砾石土为工程特性良好的土石坝心墙料,掺砾改性是一种极具工程实践意义的技术手段。     

土石坝试验新技术研究与应用

研制的多功能静动力大型三轴试验系统是中国首台能够测量堆石料动态体变过程的大型三轴试验设备,构建了国内外70多座重要高土石坝筑坝堆石料静动力学性质试验数据库,揭示了静动荷载作用下堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素、强度与剪胀(缩)非线性变化规律、地震残余变形发展规律、流变规律和饱和砂砾石料地震液化规律等。创建了高土石坝离心机振动台模型试验技术与试验结果分析方法,成功应用于高面板堆石坝与心墙堆石坝地震破坏机理和抗震加固方案有效性验证,得出的高土石坝地震加速度反应和地震残余变形定性与定量分布规律、高土石坝地震破坏机理结果得到了汶川地震后紫坪铺面板堆石坝和碧口心墙坝震害资料的证实。较好解决了目前高土石坝地面振动台模型试验与原型应力水平相差过大,常规离心机振动台模型试验因模型箱尺寸和振动台功率限制无法进行与原型应力水平一致的模型试验的难题。创建了土石坝溃坝离心模型试验技术与试验结果分析方法;研发了离心机大流量水流控制系统,实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡;研发了将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体的专用溃坝模型箱,有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大和泥石流下无法正常工作的难题,实现了土石坝溃坝全过程溃口洪水流量的测量。上述研究成果为进一步提升高土石坝灾害预测与防控水平提供了重要技术支撑。     

椭圆抛物双屈服面弹塑性模型三维各向异性修正及其试验验证

 粗粒料作为高土石坝的重要筑坝材料,其应力–应变规律受初始不等向固结和后续施工影响。考虑粗粒土各向异性特性的同时兼顾其剪胀性和初始不等向应力状态等主要性质,结合室内试验资料,运用应力变换方法和引入新的应力比参数等手段对经典双屈服面弹塑性模型的屈服轨迹和硬化轴进行修正。通过试验数据和预测结果的对比,表明修正的三维化各向异性双屈服面弹塑性模型能够较合理地反映粗粒土在初始不等向固结状态下的强度和变形特性。     

高土石坝地震安全控制标准与极限抗震能力研究

基于土石坝震害调查和原型观测资料分析，针对高土石坝的坝坡稳定、坝体地震永久变形以及混凝土面板接缝位移3个影响高土石坝安全的主要因素，初步建议了相应的地震安全控制标准，并应用于高心墙堆石坝和面板堆石坝的极限抗震能力计算分析。结果表明：按规范设计的高土石坝具有较强的抗震能力，其极限抗震能力在0.50g以上，可抵抗9度以上地震而不致于出现灾难性后果；高土石坝的极限抗震能力与相应的地震安全控制标准密切相关，按照本文建议的标准，高心墙堆石坝坝坡稳定是其极限抗震能力的控制因素，高面板堆石坝面板周边缝安全是其极限抗震能力的控制因素。     

粗粒料的变形特性和缩尺效应

粗粒料的变形特性和缩尺效应王继庄（昆明水电勘测设计院，６５００５１）１前言随着粗粒料测试技术水平的日益提高，粗粒料（如碎石料、砂砾料、石碴料、砾质土、风化料等）作为筑坝材料的优越性日益被人们认识和应用。６０年代初，粗粒料作为高土石坝的筑坝材料已成功地...     

数字化施工下高心墙堆石坝结构性态精细数值模拟研究

为考虑实际施工质量对堆石坝结构性态的影响,提出了数字化施工下高心墙堆石坝结构性态精细数值模拟分析方法。首先,基于数字化施工技术估计得到了大坝任意位置处的坝料压实质量。其次,通过室内试验,建立了坝料压实质量与力学模型参数的回归关系模型,从而实现大坝任意位置处模型参数的空间估计。在此基础上,通过程序开发,实现了任意单元计算模型参数的精细赋值。最后,采用精细有限元模型实现了高心墙堆石坝应力变形的数值模拟,并采用精细扩展有限元模型实现了心墙蓄水期可能水力劈裂的预测模拟。计算结果显示该方法可以更好地反映大坝施工过程的变形情况,提高了计算的准确性。该方法充分考虑了大坝实际施工质量下坝料力学参数在空间上的差异性,克服了传统方法采用同分区相同坝料力学参数而导致的计算精度不足的弊端。     

粗粒土强度和变形的级配影响试验研究

开展了不同细粒含量的无黏性和含黏粒粗粒土的共8组大型三轴排水剪切试验,研究了级配对粗粒土强度、变形、剪胀特性和颗粒破碎的影响。试验结果表明细颗粒含量的大小、是否含泥是粗粒土力学特性的重要影响因素;分析了无黏性粗粒土的颗粒破碎率随围压大小、级配的变化;研究了剪切峰值随围压、细颗粒含量的变化规律,讨论了不同围压、不同级配特征情况下粗粒土的剪胀特性。根据含黏粒粗颗粒土的试验结果,分析了含泥量对强度和变形特性的影响,并从机理上分析了细粒含量对无黏性和含黏粒粗粒土的力学特性影响的差异性。试验结果表明对于土石坝工程良好的坝体填筑料级配、严格控制小于0.075 mm颗粒含量,有利于提高坝体的稳定性和减小坝体沉降。     

堆石料剪切强度与变形的尺寸效应模拟

堆石料尺寸效应的研究对准确预测土石坝的强度与变形至关重要。但是受室内试验条件的限制,能反映原型足尺级配料试样特征的三轴试验难以开展。通过对10~40 mm粒径范围内的古水玄武岩颗粒进行单粒强度试验,分析了单粒强度的尺寸效应,采用离散元方法对室内三轴试验的强度和变形进行模拟,结果表明采用的模拟方法可以很好地重现室内缩尺级配料的特性。运用相似级配法将模拟的缩尺级配扩展到原型足尺级配料级配,对原型足尺级配料试样的偏应力、体变和轴向应变关系进行模拟预测,同时整理了不同尺寸试样的强度参数。研究成果为由室内缩尺试验参数推演原型足尺级配料试样的强度及变形参数提供了一种可能。     

胶凝粗粒料的弹塑性模型与应用研究

目前工程技术人员对胶凝粗粒料能否应用于高堆石坝等重要、永久性建筑物还存在疑虑,这主要是由于目前对胶凝粗粒料力学性质研究尚不充分。尚没有广为认可的胶凝粗粒料标准本构模型,使得胶凝粗粒料数值模拟结果可信度较低。进行了胶凝砂砾料大围压范围(7级围压,范围100～3000 kPa)的室内三轴剪切试验,试验结果表明,胶凝砂砾料力学性质具有压硬性、强度非线性、强剪胀性和应变软化性等显著特征。研究发现,三轴应力路径的胶凝砂砾料应力应变关系可用驼峰曲线较好描述,其体积剪胀性可采用Rowe剪胀方程描述,以此建立了三轴应力平面内胶凝砂砾料应力应变关系,并根据广义塑性理论中切线模量与塑性模量之间的关系,将模型拓展至三维应力空间,得到了胶凝砂砾料弹塑性本构模型。试验结果和前人多组试验结果对该模型进行了验证,均表明模型具有良好的适用性,模型简明、实用,易于数值实现。将该模型成功应用于一个高面板坝的"胶凝增模区"弹塑性分析,并从坝体、防渗体应力变形安全性方面评估了胶凝料用于高堆石坝"增模"的可行性。     

Strength and stiffness parameters for hardening soil model of rockfill materials

In recent years, an increasing number of rockfill dams have been constructed in many developing countries around the world. One difficulty in the engineering design and construction of rockfill dams is the characterisation of the rockfill materials. Thanks to advancements in computational geomechanics, a finite element analysis is usually employed in geotechnical engineering design. To perform such analyses, a proper constitutive model with relevant parameters that reflect the stress–strain-strength characteristics of rockfill materials are required. This study presents a procedure to determine the strength and stiffness parameters of rockfill materials that can be used with the Hardening Soil (HS) model to characterise the behaviour of rockfill materials. Based on triaxial and oedometer test results, a set of HS model parameters can be determined. To implement and validate the procedure, six rockfill materials from the Nam Ngum 2 Dam construction project in Laos PDR are employed in this study. The influences of stress level and particle breakage on the stress–strain/volumetric-strain behaviours of rockfill materials are discussed. Finally, the procedure to determine the material parameters for rockfill materials presented in this study can also be applied to other rockfill materials.     

一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型

针对粗粒料的剪胀特性和强度非线性,在经典弹塑性理论框架内,建立了一个基于细观结构的粗粒料弹塑性本构模型。模型采用基于颗粒材料细观结构变化推导得到的屈服函数,在此基础上由非相关联流动法则得到的剪胀方程,结合粗粒料典型的三轴压缩试验结果,引入一种无黏性土的压缩模式,构造了能够统一描述粗粒料剪胀、剪缩特性的硬化参数。阐述了由常规三轴试验和等向压缩试验确定模型全部7个参数的方法。对3种粗粒料三轴压缩试验结果进行了预测,预测结果与试验结果吻合良好,说明模型能够合理地反映粗粒料的应力变形特性。     

粗粒筑坝材料密实度的缩尺效应研究

 针对已有研究成果忽视密实度缩尺效应对粗粒筑坝料力学性质影响的问题,根据双江口300 m级土石坝堆石料的原平均设计级配曲线,采用4种不同缩尺方法得到室内干密度极值试验成果,利用粗粒筑坝材料的级配设计母线--Talbot曲线,引入分形几何理论,选取对级配性质较为敏感的Talbot公式的指数n以及反映颗粒形状与粗糙度的因子作为分形指标,解译粗粒料密实度出现缩尺效应的内在原因,为粗粒料级配构成对密实度影响的量化评价提供依据,克服以往只能利用不均匀系数和曲率系数进行模糊评价的缺点。利用PFC2D软件,结合混合法各缩尺比级配进行干密度极值数值试验,研究缩尺效应对粗粒料的相对密度、孔隙率的影响规律,并分析引起其差异的细观机制。     

粗粒料浸水变形分析方法的改进

 首先分析单线法、双线法各自的优点和缺点,提出试验方面用单线法试验结果修正双线法试验结果,但计算方面仍用双线法计算的思路。其次进行粗粒料大三轴单线法和双线法湿化变形试验,对浸水变形特性进行研究,发现单线法和双线法试验结果之间的一些规律,并引用其他学者的试验结果进行验证,同样成立;同时,对该规律的机制进行探讨;基于该规律,提出一个改进的浸水变形分析方法。最后分别用改进方法和双线法对试验结果进行预测,预测结果表明,改进方法计算结果和试验结果更加吻合。     

堆石料状态相关三维多重机制边界面模型

堆石料的应力应变特性与材料的密度、压力等状态密切相关。针对堆石料的变形与强度非线性,在临界状态和边界面弹塑性理论框架内,建立了一个堆石料状态相关三维多重机制边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机制和一系列空间分布的相互独立虚拟微观剪切机制。每个微观剪切机制包含3个方向的微观剪应力–应变关系和微观应力–剪胀关系。引入一个与密度、压力相关的状态参数,用以统一描述不同状态下堆石料的变形和强度特性。模型包含12个参数,多数具有明确的物理意义。对2种堆石料三轴压缩试验结果进行模拟计算,模型模拟值与试验结果吻合良好,说明模型能够较合理地预测堆石料的应力应变特性。     

巨粒土高填路堤现场填筑试验研究

 对重要的路堤填筑工程,国内目前一般都采用试验段法来确定填筑施工参数,已取得良好的效果。通过对河南S325侯饭线巨粒土高填路堤现场填筑试验,采用沉降量、灌水法以及弯沉等多种方法对路基质量进行检测对比,探讨巨粒土的压实机制以及颗粒级配、含水率、碾压机械、铺土厚度以及碾压遍数等不同施工工艺参数及不同参数的组合对压实效果的影响,提出巨粒土现场压实质量控制应以沉降差为主,并结合施工工艺参数的方法来控制,该法可有效保证填筑质量,加快施工进度,并可对类似工程的质量控制、检测和评价提供参考,具有重要的实用价值。     

影响粗粒硫酸盐渍土盐胀特性的敏感因素研究

为了明确影响典型粗粒硫酸盐渍土路基盐胀特征的敏感参数,提出相关的敏感参数量化分析模型及其影响因素和因素间交互作用的量化指标。采用5 mm筛法的易溶盐测定方法,基于典型粒径的粗粒硫酸盐渍土,以单因素试验结果为基础,采用二次回归正交设计法提出了多因素交互作用下的粗粒硫酸盐渍土的盐胀率预报模型,同时采用SPSS软件对各敏感性因素进行逐步回归分析,研究结果表明:敏感因素的量化指标依次是易溶盐(46%~37%)、荷载(43%~29%)、水(12%~6%)、易溶盐与荷载的交互作用(7.6%)、易溶盐与水的交互作用(2%),其中,易溶盐对盐胀率为促进作用,水会因含盐量不同而对盐胀率的作用产生变化,荷载、易溶盐与荷载的交互、易溶盐与水的交互均对盐胀量具有一定的抑制作用;初始压实度对盐胀率具有一定的促进作用,但由于其特殊的级配特征,初始压实度在89%~97%范围内对盐胀率的影响效果并不显著。