動力荷載作用下堆石料尺寸效應研究

《動力荷載作用下堆石料尺寸效應研究》是依託河海大學，由楊貴擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：動力荷載作用下堆石料尺寸效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊貴
• 依託單位：河海大學

項目摘要

當前我國高土石壩建設正步入高峰且大部分位於西南地震活躍地區，加強高土石壩築壩料動力特性研究尤為重要。堆石料是高土石壩建設的主要築壩材料，動力試驗過程中存在明顯的尺寸效應和顆粒破碎等問題。本項目針對強震區高土石壩高應力載入條件，採用室內試驗、數值模擬和理論分析相結合的研究方法，開展動力荷載作用下堆石料尺寸效應研究，主要內容包括：開展不同級配模擬方法、圍壓和固結比的大型振動三軸試驗，研究尺寸效應與堆石料顆粒破碎特性和動力變形特性的關係；進行堆石料顆粒流數值模擬研究，考慮不同級配模擬方法、圍壓和固結比的影響，從細觀角度揭示堆石料動力荷載作用下的尺寸效應機理；基於上述試驗和數值模擬結果，提出堆石料常規振動三軸試驗結果的修正方法，建立能夠反映堆石料尺寸效應的動力本構模型，結合依託工程，採用該本構模型進行高土石壩的動力分析。研究成果對高土石壩抗震設計具有重要的理論意義和工程實用價值。

結題摘要

本課題在總結國內外有關堆石料尺寸效應，顆粒破碎和數值模擬的基礎上，採用室內試驗、數值模擬和理論分析相結合的研究方法，開展動力荷載下堆石料顆粒破碎的尺寸效應研究。在本項目的支持下，在國內外學術期刊上共發表學術論文13篇，其中SCI論文3篇，EI論文5篇，申請發明專利3項，獲得軟體著作權4項。取得的主要成果有：試樣製備過程中引起的顆粒破碎不可忽視，隨著不均勻係數的減小，曲率係數的增大，顆粒破碎越明顯；顆粒破碎程度隨相對密度的增大而增大，可採用分段線性函式進行表達，即試樣製備過程中顆粒破碎的產生存在臨界相對密度。基於Hoek等人對不同尺寸岩石試樣的研究成果，建立了能夠反映堆石料顆粒破碎特徵和尺寸效應的細觀數值模擬模型，基於該模型開展了複雜應力作用下的數值模擬研究。結果表明，隨著軸向應變的增大，顆粒破碎逐漸增多，去除試樣製備過程和固結過程引起的顆粒破碎，不同圍壓條件下的顆粒破碎率歸一化後基本重合，且可以近似採用雙曲線函式進行擬合。一個循環荷載載入周期內，顆粒破碎過程可以劃分為三個區，即：隨著循環荷載的施加，顆粒破碎率先緩慢增加，再急劇增加，最後趨於平緩。堆石料的殘餘變形主要是由顆粒破碎而引起的。雙向振動的剪下模量和阻尼比均大於單向振動的剪下模量和阻尼比，不同載入條件下的歸一化後的剪下模量和阻尼比與歸一化的剪應變具有相同的變化規律。雙向振動與單向振動的最大剪下模量比和最大剪應力比分別為1.35和0.98。載入過程中顆粒並不總是發生滑移，試樣在一個應力循環荷載下摩擦功的變化規律可以分為四個部分。堆石料動力特性存在明顯的尺寸效應，隨著試樣顆粒尺寸的增大，動彈性模量增大，阻尼比也在增大，基於室內試驗研究成果，建立了在數值模擬過程中顆粒直徑與細觀剪下模量的關係，建立了能夠考慮堆石料尺寸效應的動力本構模型。在廣義塑性力學框架內，採用非關聯流動法則，建立了粗粒土考慮顆粒破碎引起級配演變的本構模型。