考虑堆石料破碎影响的黏弹塑性本构模型

通过对等向压缩条件下加载速率对堆石料应力-应变特性的影响规律的分析,提出与时间相关的应力-应变关系式。结合堆石料颗粒破碎的研究成果,将与时间相关的本构关系由等向压缩推广到剪切,从而建立能够考虑颗粒破碎和时间效应综合影响的本构模型。对试验数据的预测结果表明:新模型不仅能够合理地考虑加载过程中颗粒破碎及时间因素对变形的影响,而且还能较好地描述荷载稳定时变形随时间的发展规律。     

堆石料剪切过程中的颗粒破碎研究

颗粒破碎直接改变堆石料本身结构,影响土体的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数和流变变形。但是,目前对于堆石料在剪切过程中的破碎规律尚不明确。通过室内固结排水三轴试验,研究了古水面板坝玄武岩堆石料在制样、固结和剪切过程中的颗粒破碎规律。研究结果表明:堆石料在制样过程中会产生较为显著的颗粒破碎现象;在等向固结过程几乎不产生颗粒破碎。低围压下,颗粒间的翻越和滑移受围压约束较弱,剪切过程中的颗粒破碎不明显。髙围压下,颗粒间的翻越和滑移受到限制,颗粒间的咬合力显著提高,随着剪切应变的增大,土体颗粒不断发生破碎。在颗粒破碎过程中,大粒径颗粒首先破碎,破碎的颗粒从大粒径逐渐向小粒径扩展。粒径在0.5 mm以下颗粒的含量始终随剪应变的增大而增多,且增长幅度随着围压的增大而增大。土体颗粒破碎同时受围压和剪切变形的影响,相同围压下剪切过程中的相对破碎参量Br和剪应变之间的关系可采用双曲线公式描述。     

人工模拟堆石料颗粒破碎应变的三轴试验研究

高应力作用下堆石料的颗粒破碎严重,其对堆石体变形的影响不可忽视。采用水泥净浆浇筑不同粒径和不同强度椭球颗粒的方法,探讨了一种人工模拟堆石料的制备方法。通过系列的三轴试验研究了不同破碎率情况下模拟堆石料应力变形和破碎体应变的特性。结果表明,试验中相对破碎率同颗粒强度和围压力的相对大小直接相关。颗粒破碎对堆石体的应力应变特性具有十分重要的影响。堆石体的破碎体应变均为正值,且随轴向应变的增加而增大,两者近似呈双曲线关系。破碎体应变和破碎率之间存在近似的幂函数关系。     

颗粒破碎对堆石料填充特性缩尺效应的影响研究

堆石料的填充特性与其力学变形特性密切相关,颗粒破碎会改变堆石料填充特性,又是影响其缩尺效应的主要因素;以填充特性为切入点,研究堆石料缩尺效应,对深入认识堆石料复杂力学响应及其产生机理有重要意义。通过对不同颗粒破碎强度的堆石料缩尺试样开展三轴数值剪切试验,研究了颗粒破碎对堆石料填充特性缩尺效应的影响,进一步揭示了缩尺效应的产生机理。研究表明:颗粒越易破碎,缩尺效应越明显;颗粒破碎对描述填充特性的宏细观参量影响明显,主要表现为相同制样标准下,试样尺寸越大,剪切前后的孔隙率均越小,颗粒越易破碎该趋势越明显,同尺寸试样,颗粒越易破碎则剪切后的有效孔隙率越小;剪切前的有效孔隙率随试样尺寸的增大而增大,与剪切后的规律相反;试验中,大尺寸试样较小尺寸试样产生了更多的力学不稳定颗粒,是造成堆石料缩尺效应的原因之一。     

孔隙率对堆石料强度与变形的影响规律

针对拟建某300m级高土石心墙堆石坝所用堆石料,开展了不同孔隙率的大型静力三轴试验,分析了孔隙率对堆石料的强度和变形的影响。试验结果表明:随着孔隙率的增加,堆石料的峰值强度会减小,体积变形逐渐增大,剪切至峰值点时的剪切位移增大,剪切至出现最大体积变形的剪切位移也会增加,随着围压的升高,颗粒出现一定量的破碎;在邓肯–张和南水模型中表现为参数K,dn值的减小和n,dc,dR值的增大等趋势。分析其原因主要是:随着孔隙率的增加,颗粒内部空隙增多,颗粒间间距增大,颗粒间的接触点减少,在相同围压及剪应力作用下,体积变形增大,最大减缩体应变对应的偏应力也会增加;孔隙率的增加,颗粒间的间距增大,颗粒间的咬合作用减弱,导致堆石料的初始切线模量减小,颗粒抵抗外力的作用减弱,颗粒间内摩擦角与抗剪强度的减小。此外,5P(27)的含量对堆石料的强度和变形作用较为明显,孔隙率相同的情况下,峰值强度、最大体积变量、剪切至峰值强度点对应的剪切位移以及最大体积应变对应的剪切位移均会随5P(27)含量的增加会而增大。孔隙率的变化对堆石料强度和变形影响非常明显,建议堆石坝施工现场碾压时严格控制压实度以满足设计要求,确保大坝安全。     

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。     

循环荷载作用下堆石料的颗粒破碎特性

通过大型动力三轴试验,研究了循环荷载作用下堆石料的颗粒破碎特性及其影响因素,首次根据堆石颗粒在混合料中所发挥的作用以及堆石料发生颗粒破碎后不同粒径范围颗粒含量的变化量,将堆石料的颗粒破碎形式划分为棱角破碎和骨架破碎。进而,基于堆石料发生颗粒破碎前后级配的分形维数定义了堆石料的颗粒破碎率,建立了循环荷载作用下堆石料颗粒破碎率与其动剪应变及体积应变关系表达式。     

循环荷载下堆石料应力变形特性研究

基于不同堆石料的多组大型静、动三轴试验,揭示了堆石料的特殊应力变形特性。试验发现,基于Rowe应力剪胀理论所建立的堆石料本构模型将明显低估堆石料的剪缩特性。堆石料的破坏和剪胀线在p-q面上并不是一条直线,剪胀线Md向左上方翘曲,而破坏线Mf则向右下方微曲,随着应力水平的提高,剪胀线Md逐渐接近甚至超过破坏线Mf。动应力和围压之比越大,堆石料的永久剪切和体积变形越大;随着固结应力比的增大,堆石料的永久剪切变形增大,体积变形减小;循环荷载的前几周,堆石料的永久剪切和体积变形的增加较标准砂大,随着循环荷载周数增加,堆石料硬化现象也较标准砂明显。在振动过程中,不论是何种岩质和级配的堆石料一直表现为体积收缩,未出现剪胀;堆石料在固结、静力三轴剪切和振动三轴试验过程中均产生明显的颗粒破碎,颗粒破碎率的大小与堆石料的母岩、级配以及围压等因素相关。围压增大,静力三轴剪切引起的颗粒破碎率随之增大,而单纯由振动三轴试验引起的颗粒破碎率则相应降低。堆石料的颗粒破碎,使其剪胀性降低,剪缩性增大,堆石料所表现出的特殊破坏和剪胀规律显然与其颗粒破碎密切相关。堆石料筑坝材料经先期循环荷载作用后,再次经受循环荷载作用时,其抵抗变形能力明显提高。     

考虑颗粒破碎的砂土高应力一维压缩特性颗粒流模拟

以Toyoura砂室内高应力一维压缩试验结果为基础,利用二维颗粒流方法中的接触黏结模型生成簇颗粒单元来模拟实际砂土的颗粒破碎特性。高应力一维压缩数值试验中,数值试样由887个簇颗粒单元组成。数值试验与室内试验结果对比表明:数值试验得到的压缩曲线形状及颗粒破碎屈服应力大小均与Toyoura砂室内试验结果一致,说明数值试验能够较好地再现实际砂土在高应力一维压缩条件下的颗粒破碎特性。与室内试验相比,利用数值试验不仅能得到宏观的颗粒破碎现象,而且还能通过分析内部接触力的变化和对黏结破裂位置的追踪来研究颗粒破碎的细观演化规律,从而可进一步探讨颗粒破碎的细观力学机制。最后,就细观参数、加荷速率、簇颗粒数量及试样平均粒径等因素变化对数值试验结果的影响进行了分析。     

基于Flat-Joint接触模型的黏弹性动态本构开发及其参数影响分析

基于离散元方法将黏弹性本构关系引入到Flat-Joint模型中,推导出黏弹性的力–位移更新公式以及率相关黏结键断裂准则,使颗粒间接触力响应和黏结强度表现出率相关性,并通过C++语言生成供颗粒流程序(PFC~(2D))调用的自定义本构子程序(DLL)。模拟不同应变率条件下的岩石类材料动态压缩过程,得到应力–应变曲线、断裂黏结键数量变化曲线和黏结键断裂时刻分布与应变率之间的关系,分析应变率提高对裂纹生成和分布的影响;同时分析各黏弹性参数对应力–应变曲线和泊松比等宏观参数以及试件变形和破坏特性的影响,可知E_1越大,主剪切裂纹越粗壮,E_2越小,剪切裂纹和弥散裂纹数量分布越多,而h_2参数对主剪切裂纹影响很小,但从主剪切裂纹延伸出的次级裂纹随h_2减小而增多。     

堆石体三轴剪切试验的三维细观数值模拟

从细观角度出发,采用随机模拟技术建立堆石体的三维随机颗粒模型,基于修正的增广Lagrangian算法的非线性接触算法模拟颗粒间的相互接触,采用损伤软化模型描述细观单元的应力应变关系,当细观单元的损伤度超过损伤阀值时删除该单元,采用Weibull概率分布描述堆石体材料物理力学性质的非均匀性。以水布垭面板堆石坝茅口组堆石为研究对象,进行其三轴剪切试验的变形体离散元细观数值模拟,采用应变控制加载,再现了堆石体的颗粒变形和运动规律。数值计算结果表明,数值模拟能够较好地反映堆石体三轴试验的变形规律,得到的轴向应变–偏应力曲线和轴向应变–体积应变曲线接近试验曲线。从能量角度分析了颗粒变形、颗粒间的摩擦、颗粒的损伤破碎、颗粒运动在加载过程中对系统的贡献。     

库岸危岩剪切带—基岩界面宏细观剪切贯通机制及力学特性研究

以三峡库区“板壁岩”危岩为研究背景,在总结岸坡危岩内部剪切带形成过程及基本特征的基础上,通过室内剪切试验和数值模拟手段,从宏细观的角度研究该岸坡危岩内部剪切带–基岩界面的剪切贯通机制及其力学特性。研究表明：(1)剪切带为危岩体失稳的主控因素,内部充填物质具有层状无胶结特征;(2)在常法向应力作用下,界面的破坏模式可以总结为台阶根部张裂–台阶爬坡,岩板损伤–台阶剪断,岩板裂纹贯通–台阶剪碎;(3)界面剪切应力–剪切位移曲线分为压密阶段、近加载端台阶根部斜裂缝出现阶段、近似弹性变形及微裂隙扩展阶段、近加载端台阶剪断阶段、剩余台阶剪断阶段及残余阶段6个阶段;(4)界面的峰值剪切强度和残余强度随法向应力、层厚和台阶高度的增加而增加,竖向累积位移随法向应力的增加而减小、随层厚和台阶高度的增加而增加;(5)界面裂纹数量变化曲线呈“S”型,共经历裂纹缓慢增加(岩板表面磨损)–裂纹迅速扩展(台阶剪断)–裂纹数量稳定(残余摩擦)3个发展阶段,试样内部颗粒应变能和胶结应变能变化趋势与剪切应力–剪切位移曲线变化相近,总能量、摩擦能及阻尼能随剪切位移的增加而增加。研究成果对剪切带整体力学性质及含剪切带危岩稳定...     

模拟堆石料颗粒破碎对强度变形的影响

许多试验事实表明,极高压力下颗粒材料粒径极限分布并非 Hardin 所谓的以 0.074 mm 为截断粒径的均匀分布。通过拓展破碎概念提出了 Hardin 破碎指标修正定义,并用以区分剪切过程中破碎的暂时和永久终止状态。 开展了系列模拟 堆石料固结排水大型三轴试验,提出了系列非线性关系用以描述模拟堆石料的级配、破碎指标以及应力–应变–体变响应变化规律。分析表明：随着围压增加,特征粒径减小而级配指标增加,试样级配变化明显;随着围压增加,峰值（或临界）状态破碎指标增加,相应的应力比和内摩擦角则减小,两种状态下破碎指标与内摩擦角具有唯一对应关系;同一剪切过程中,破碎指标变化率、剪胀率和塑性剪切模量具有非同步变化关系,由此形成了颗粒破碎对于模拟堆石料应力变形影响的复杂性。     

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。     

堆石料的应力-应变特性及其三维破碎本构模型

综合已有的研究成果,从压缩、剪胀和强度三方面分析颗粒破碎对堆石料应力-应变特性的影响。基于堆石料的变形和强度特性,引入新的硬化参数H,并推导出相应的屈服函数表达式,进而提出一个能够考虑堆石料颗粒破碎影响的弹-塑性本构模型。利用基于空间滑动面准则（SMP准则）的变换应力方法将模型进行三维化,并参照某堆石料大三轴试验结果对...     

堆石料的颗粒破碎规律研究

粗颗粒土剪切过程中的颗粒破碎现象已被广泛认识,并且在试验和理论方面进行了大量研究。利用大型三轴仪开展了一系列不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的排水剪切试验,并对试验前后的试样分别进行了颗粒分析,以探讨堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素。试验结果表明:密度对颗粒破碎影响较小,而级配和围压的影响较大,围压越高则颗粒破碎越严重。对比试验前后的粒径分布曲线发现,颗粒破碎主要集中在粒径20 mm以上的颗粒范围内,粒径变化幅度随粒径的减小呈减小趋势。基于分形理论,建立了颗粒破碎分形维数与围压和颗粒级配之间的关系表达式,为进一步研究堆石料的强度、变形及剪胀特性提供依据。     

复杂应力路径下糯扎渡堆石料应力–应变特征研究

 通过对云南澜沧江糯扎渡水电站坝体I区筑坝堆石料在拟定应力路径下的三轴固结排水剪切试验数据分析,获取了堆石料的应力–应变参数。通过研究复杂应力路径下堆石料的应力–应变特征,得出了堆石料应力–应变特征将严格受控于应力路径,且试验实测应力路径与拟定应力路径相一致、不同应力状态下筑坝堆石料变形模量存在较大差异的结论。通过计算获得了复杂应力路径下堆石料的强度参数和等应力比加载条件下堆石料的变形模量。针对应力状态这一影响堆石料强度的主要因素,深入研究了其与堆石料强度之间的关系,得出了应力状态、黏聚力和内摩擦角三者之间的关系,对糯扎渡水电站大坝本构模型的建立和稳定性计算有一定意义。     

基于分形级配方程的堆石料颗粒破碎SBG模型

准确预测堆石料在受剪过程中颗粒的破碎率以及相应的级配变化,是揭示堆石料在复杂应力状态下强度、渗透、变形等特性的基础。基于分形级配方程,建立了一个实现"应力应变—破碎指标—级配分布(SBG)"转换的模型。引入Einav破碎指标BE作为衡量颗粒破碎率的指标,对分形级配方程进行变形和积分,推导了颗粒破碎率B_E和分形维数D的数学转换,即"破碎指标—级配分布"的转换。对已有的三轴剪切试验数据进行分析,提出一个可以定量表示颗粒破碎率随剪应变和平均正应力变化的数学模型,模型共有3个参数a,b,c,参数b与土体的临界状态有关,根据临界剪应变可以直接确定。对两组不同的试验数据进行拟合,发现模型预测值与试验值具有较高的吻合度,实现"应力应变—破碎指标"的转换。将以上两种转变联立,成功预测了不同剪应变及平均正应力下堆石料的级配变化。     

一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型

基于广义塑性理论建立了一个考虑堆石料颗粒破碎的弹塑性本构模型。模型采用随平均应力增加而减小的峰值摩擦角和特征点摩擦角来反映堆石料因颗粒破碎而表现出的峰值应力比与剪胀应力比的非线性,在此基础上确定塑性流动和加载方向向量;运用指数型压缩函数建立依赖于体积应变和平均应力的压缩参数 λ ,并构造随平均应力与剪应力水平而变化的塑性模量表达式。模型共有 8 个参数,均可通过等向或单向压缩和三轴压缩试验确定。为验证本文模型的合理性,依据试验资料确定了 3 种不同堆石料的本构模型参数,并对典型三轴压缩试验进行了模拟。 3 种材料的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明本文模型可合理反映了颗粒破碎对堆石料强度与变形特性的影响。     

考虑颗粒破碎的堆石体三维随机多面体细观数值模拟

 基于随机颗粒不连续变形模型,在颗粒的细观单元之间插入界面单元,采用黏聚力裂缝模型模拟界面单元的起裂、扩展和失效,研究颗粒破碎对堆石体强度和变形的影响。从宏观、细观2个层面分析细观数值模拟结果,结果表明：本文提出的方法能直接模拟三维颗粒破碎现象,颗粒破碎降低堆石体的强度,其机制在于颗粒破碎弱化堆石体的剪胀性能,使得由于剪胀引起的内摩擦角显著降低,颗粒破碎的影响随围压的增加而增大;颗粒破碎时伴随着声发射,高围压下声发射数多于低围压下,表明高围压下颗粒破碎更明显,与试验结果一致;在剪切过程中,颗粒间接触法向逐渐由水平方向向竖直方向倾斜,法向接触力的主方向与加载方向相同,颗粒间平均法向接触力逐渐增大。