基於延時顆粒破碎的堆石料流變特性與本構模型研究

《基於延時顆粒破碎的堆石料流變特性與本構模型研究》是依託大連理工大學,由遲世春擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於延時顆粒破碎的堆石料流變特性與本構模型研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：遲世春

項目摘要

顆粒材料的巨觀力學行為強烈依賴於顆粒強度，但目前堆石料的變形研究還沒有涉及顆粒強度。本課題擬開展堆石料顆粒強度與顆粒流變破碎試驗研究，建立堆石料巨觀流變變形與顆粒強度和顆粒破碎時間的關係，進而深入研究堆石料流變變形機理，解釋室內堆石料流變試驗過快穩定而實際堆石壩流變持續十數年的關鍵科學問題。以顆粒破碎為紐帶，利用大小顆粒的強度及流變破碎時間不同的特點，研究不同尺寸試樣顆粒的受力、破碎及耗能，通過流變能量方程，實現不同尺寸試樣流變變形的變換，解決流變變形的縮尺效應問題。進行堆石料三軸流變試驗和一維壓縮流變試驗，研究流變試驗中顆粒級配分形維數及其演變方程。在應力空間中繪製流變矢量圖形，確定流變勢函式。研究堆石料流變的能量耗散，推導流變屈服函式與硬化函式，建立堆石料流變本構模型。研究堆石料流變閾值應力，分析壩體內發生流變應變的區域，提出防止堆石料流變危害的工程措施。

結題摘要

由於堆石料流變，使土石壩後期變形持續增長，變形穩定時間長達幾年甚至十餘年，給壩體變形控制造成了困難。而壩體的流變變形將極大地影響壩體滲透系統的安全性，因此堆石料流變變形研究有重要的工程實際意義。 堆石料為岩石顆粒組成的散粒體材料，岩石顆粒特別是硬岩顆粒，其本身變形對堆石料巨觀變形的影響較小，堆石料的變形主要由顆粒破碎引發的顆粒滑移、相互填充以及結構變化引起。因此堆石料變形中顆粒破碎的模擬是問題的關鍵。為此，開展了堆石顆粒的單粒破碎強度及其延遲破碎強度的試驗研究，堆石料受力變形過程中級配演化研究，給出了堆石料試樣顆粒破碎參量與試樣巨觀變形之間的幾何關係，以及不同尺寸堆石料巨觀變形模型及其參數的研究。主要的研究成果有，堆石料顆粒強度服從Weibull分布，顆粒破碎後的粒徑級配曲線服從分形分布，堆石料顆粒強度具有明顯的尺寸效應。堆石料顆粒的延遲破碎強度服從負指數衰減規律，顆粒延遲破碎的閾值強度為岩石顆粒的長期強度。採用數值試樣模擬三軸試驗過程，根據顆粒破碎的機率公式，得到發生破碎的顆粒質量，採用分形矩陣進行破碎質量的各粒組分配，即可求得級配曲線，模擬級配演化過程。計算破碎參量，建立破碎參量與堆石料巨觀變形的幾何關係表達式。進行縮尺料三軸試驗及流變試驗，與數字試驗的模擬結果比較，驗證上述方法的正確性，標定以破碎為關鍵參量的模型參數。建立堆石料足尺試樣，進行足尺試樣的三軸試驗模擬，得到應力應變關係、流變模型參數等。 當前堆石料流變理論還不能很好地解釋一個現象，即室內縮尺堆石料的流變試驗過快穩定，而現場實際壩體變形長期不穩定。通過將堆石顆粒的延遲破碎強度引入現場足尺堆石料流變數值試樣的模擬中，可很好地解釋這一現象。