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。     

胶凝砂砾石本构模型适应性研究试验

胶凝砂砾石材料单轴和三轴试验结果表明,胶凝砂砾石材料应力应变关系具有明显的非线性特征。通过三轴试验,得出应力应变关系曲线,针对邓肯-张模型对胶凝砂砾石的适用性进行了分析研究。基于虚加刚性弹簧法,计算分析数据验证了邓肯-张模型求解弹性模量的合理性,对邓肯-张模型不能准确描述体变特性与泊松比参数问题,提出了改进模型。     

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。     

基于非线性损伤本构模型的胶凝砂砾石坝超载分析

为揭示胶凝砂砾石坝损伤机制,基于胶凝砂砾石力学特性和应变破坏准则建立其非线性损伤本构模型,编制了相应的程序,并采用室内试验验证了该模型的合理性。采用该模型对胶凝砂砾石坝进行超载数值模拟,研究其坝体应力、结构破坏过程,结果表明胶凝砂砾石坝在超载后坝踵、坝趾均存在破坏风险,其中坝踵开裂风险较大。基于损伤本构模型进行超载分析还可知,胶凝砂砾石坝破坏模式为坝体和坝基材料变形不协调,使得随着超载倍数增大,坝体、坝踵产生屈服损伤,并逐渐开裂,裂纹沿上游建基面向下游扩展,而线弹性模型模拟无法获得该规律,因此基于非线性损伤本构模型的胶凝砂砾石坝受力分析可预测结构的失效模式,为结构设计提供依据。     

胶凝砂砾石材料绝热温升模型及应用

胶凝砂砾石在浇筑硬化过程中会释放水化热,产生温度变形,致使建筑物开裂,因此有必要研究其绝热温升。对胶凝砂砾石材料绝热温升过程进行室内试验,借鉴与胶凝砂砾石施工及材料组成相似的碾压混凝土绝热温升模型,提出适用于胶凝砂砾石的绝热温升模型,将其用于工程施工过程仿真分析。结果表明:提出的复合指数模型能较好地反映水化过程,模型计算结果与绝热温升试验结果规律一致,相关系数高;使用该模型进行仿真分析的结果与碾压混凝土坝开裂现象一致,证明了该模型是合理、适用的。     

胶凝砂砾石料蠕变试验及大坝长期变形预测

为了建立合理的胶凝砂砾石料蠕变模型,进行了大坝长期变形预测,并研究了胶凝材料掺量对胶凝砂砾石料蠕变特性的影响。采用Burgers模型描述胶凝砂砾石料颗粒间的界面特性,通过细观力学均匀化方法得到胶凝砂砾石料蠕变本构模型。进行了4组不同胶凝材料掺量的胶凝砂砾石料单轴压缩蠕变试验,分析了不同胶凝材料掺量下胶凝砂砾石料的蠕变特点,进而依据试验数据拟合出所得模型相关参数。将蠕变本构模型植入ANSYS软件平台,进行了胶凝砂砾石料试件的蠕变模拟,结果表明提出的蠕变模型能较好地预测胶凝砂砾石料的蠕变变形。应用所提模型与参数对某胶凝砂砾石坝进行了长期变形计算分析。     

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。     

Hardfill 材料非线性弹性本构模型研究

在砂砾料中掺入少量胶凝材料得到了一种新的低强度筑坝材料——Hardfill材料,其力学性能介于碾压混凝土和土石料之间,应力-应变关系具有明显的弹塑性性质和应变软化等特性.在已有研究的基础上,通过理论和数学分析,提出了能够反映Hardfill材料应变软化特性、参数物理意义较为明确的六参数非线性弹性本构模型,并给出了详细的参数确定过程.将该本构模型应用于坝高100m的Oyuk坝进行非线性有限元分析,结果表明:应用非线性本构模型计算所得坝体应力和变形分布规律与线弹性计算结果基本一致;因坝体应力水平较低,材料基本处于线弹性状态,非线性计算所得应力值与线弹性结果相差不大;而在坝趾等应力水平较高的部位,非线性计算所得应力集中值明显较小.     

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。     

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。     

胶凝砂砾石料渗流应力耦合作用细观模拟

胶凝砂砾石料以其优越的性能受到广泛关注，为了探究其在渗流应力耦合作用下的破坏特性，基于一种新的细观离散元模型——格构离散粒子模型(LDPM),建立了胶凝砂砾石料渗流应力耦合数值仿真模型。结合胶凝砂砾石料三轴压缩试验结果，标定了该模型参数。通过对比不同水压力作用下胶凝砂砾石料楔入劈拉试验的数值模拟结果，验证了基于格构离散粒子模型的渗流应力耦合模型在模拟胶凝砂砾石料上的适用性。模拟结果表明：随着水压的增大，胶凝砂砾石料楔入劈拉试验的峰值荷载与其对应的裂缝口张开位移值都会减小，试件破坏之前所承受的循环加载次数减少。通过细观破坏的机理分析可知：随着水压力增大，裂缝扩展过程区变短，水更容易注入裂纹尖端，材料的破坏模式更加趋于脆性破坏。研究结果可为渗流应力耦合作用下胶凝砂砾石料坝、围堰等水利工程中材料的破坏行为分析提供计算模型和参考。     

基于能量守恒修正的混凝土损伤本构模型

为了改进传统的混凝土损伤本构模型,采用TAW-2000试验系统对养护3 d和28 d的混凝土试样进行了三轴力学特性试验,并通过混凝土加载过程中的能量计算方法,确定了混凝土变形过程中的总能量、弹性能和耗散能,根据能量守恒原理建立了可描述混凝土应力-应变关系的修正本构模型。通过模型曲线的对比验证了所建立本构模型的合理性和优越性,并明确了模型参数的物理意义。结果表明：以往本构模型曲线在混凝土应力-应变曲线峰后阶段具有较大的偏离度,而修正的本构模型曲线在应力-应变曲线峰后段的吻合度要更优。模型参数γ可较好地反映混凝土的脆性和延性特征,模型参数n可较好地反映混凝土的强度特征。     

胶凝砂砾石配合比设计研究与工程应用

针对某实际胶凝砂砾石永久性水利工程特性进行配合比设计,采用丁朴荣理论公式法和最大密度试验法进行三种砂砾石料混合级配设计,并结合配合比试验研究优选胶凝材料用量和水胶比。胶凝砂砾石材料的抗压强度随着胶凝材料用量的增大而增大,且在胶凝材料用量大于100 kg/m~3时,胶凝砂砾石材料力学性能趋向于混凝土。此外,在同一胶凝材料用量下,试件抗压强度随水胶比的增大呈现先增大后减小的趋势,即存在最优水胶比。综合实际施工技术、节约经济及抗压强度富余度等条件,最终为该工程推荐胶凝材料用量为100 kg/m~3,水胶比为1.0。     

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。     

面板堆石坝应力应变分析

混凝土面板堆石坝应用广泛,筑坝材料主要有混凝土面板、堆石、砂砾石等。材料的应力—应变关系为非线性关系。通过建立坝体的三维模型,采用分级加载方式模拟坝体填筑过程,使模型单元和材料性质随时间改变,较好地计算了坝体的应力和变形。     

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。     

基于PPR全固废胶凝砂砾石筑坝材料抗压强度计算模型

为实现全固废材料在胶凝砂砾石坝中的资源利用,选用电石渣、脱硫石膏和矿渣组成一种全固废胶凝砂砾石筑坝材料,对其28 d抗压强度进行试验研究。采用投影寻踪回归(PPR)对试验数据进行分析,建立28d抗压强度PPR计算模型,验证了模型的精度和稳定性,最后采用该模型进行仿真计算,探索各影响因素与抗压强度的关系。研究结果表明:该PPR计算模型具有较高精度和较好的稳定性;各影响因子对抗压强度贡献权重系数按大小排序为矿渣掺量、脱硫石膏掺量、电石渣掺量;仿真计算结果定量描述了各影响因素与全固废胶凝砂砾石筑坝材料抗压强度间的关系,可为全固废胶凝砂砾石筑坝材料的力学性能研究提供参考。     

严寒地区胶凝砂砾石材料冻融仿真研究

胶凝砂砾石坝研究起步较晚,故其冻融作用下的理论研究较少。在前人研究基础上,借鉴混凝土冻融损伤机理及模型和试验结果,建立了胶凝砂砾石冻融损伤模型;基于混凝土非线性控制微分方程及非线性热学特性的温度场、应力场理论,编制了适用于胶凝砂砾石的流固耦合三维有限元冻融全过程仿真分析程序,并进行案例分析。结果表明,不同地区胶凝砂砾石的冻融(负温)深度与最低月均气温及低温持续时间有关,冻融使得胶凝砂砾石受冻区域的应力分布极为复杂,胶凝砂砾石坝开裂风险增大。     

胶凝砂砾石坝层面效应及其稳定性研究

以莆田萩芦溪西音水库工程拟建胶凝砂砾石坝为例,概化出静力刚体极限计算模型,并按建基面及不同高程处胶凝砂砾石填筑面进行坝体抗剪断系数与上下游垂直正应力计算分析。结果表明：同一水位荷载时,上游面垂直正应力随胶凝层面所处坝体高程位置升高而减小;当胶凝层面位置一定时,上游面垂直正应力随荷载水位升高而存在降低的趋势。坝基面抗剪断系数及坝踵处正应力随库水位升高而减小,坝趾处正应力随库水位升高而增大;工程建设及正常营运过程中,建议采取相应措施监测及检测胶凝砂砾石坝层面效应。     

胶凝砂砾石坝防渗措施及应力分析

由于胶凝砂砾石材料抗渗性能较差,采用其筑坝时需专门设计防渗措施进行坝体挡水。本文对胶凝砂砾石坝钢筋混凝土面板防渗措施,及新提出的高强度胶凝砂砾石面板和高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜两种新型防渗措施进行渗流分析、考虑渗流作用的应力分析。计算结果表明:钢筋混凝土面板防渗效果较好,高强度胶凝砂砾石面板防渗效果较差;钢筋混凝土面板主应力最大、坝趾应力集中较为明显,高强度胶凝砂砾石面板和高强度胶凝砂砾石面板下铺设复合土工膜应力分布较为均匀。