基於連續-離散耦合分析方法的堆石體縮尺效應研究

《基於連續-離散耦合分析方法的堆石體縮尺效應研究》是依託武漢大學，由馬剛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於連續-離散耦合分析方法的堆石體縮尺效應研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：馬剛
• 依託單位：武漢大學

項目摘要

我國西部正在或即將建設一批高堆石壩，但已建高堆石壩所出現的問題，表明我們對堆石體的力學性質和變形機理、高堆石壩的工作性態和安全控制等基礎理論研究不足。高堆石壩安全性的關鍵問題之一是壩體變形控制，而變形控制的基礎是對原級配堆石體力學性質的準確把握。受試驗條件的限制，必須對原級配堆石體進行縮尺處理，但縮尺會改變堆石體的結構特徵，進而改變其力學性質，因此迫切需要加強堆石體縮尺效應的產生機理和堆石體強度變形參數的確定方法研究。本項目以考慮真實顆粒形狀和顆粒破碎的三維連續-離散耦合分析方法為研究手段，以縮尺效應的產生機理為核心，通過細觀數值試驗研究縮尺效應的影響因素和規律，通過室內三軸剪下試驗驗證縮尺效應機理的合理性，並提出由數值試驗、室內試驗和現場碾壓試驗相結合的堆石體參數確定方法。研究成果將為300m級高堆石壩建設提供重要的理論依據和技術支持，推動我國高堆石壩設計和研究水平的提高。

結題摘要

我國西部地區正在或即將建設一批調節性能好的高堆石壩，高堆石壩安全性的關鍵問題之一是壩體變形控制，而變形控制的基礎是對原級配堆石體力學性質的準確把握。由於堆石體的縮尺效應，使得室內試驗獲取的參數不能準確反映現場堆石料的力學特性，迫切需要我們對縮尺效應的產生機理和原級配堆石體的力學參數取值方法進行更加深入的研究。 堆石顆粒具有形狀不規則和易破碎的特點，而以剛性圓球和圓盤為基礎的顆粒離散元方法在描述顆粒形狀和破碎方面存在諸多不足。本項目提出了高效的堆石顆粒隨機生成算法，採用不規則的凸多面體近似模擬堆石顆粒。耦合離散元和有限元的連續離散耦合分析方法將顆粒離散為有限元格線，顆粒的運動與顆粒間的接觸仍採用離散元方法來模擬，在顆粒內部遍插無厚度界面單元模擬顆粒破碎。基於非連續介質力學的細觀數值方法，無需複雜的本構模型，以顆粒的運動和相互接觸計算為核心，能從顆粒尺度上再現堆石體的巨觀力學回響，從而避開了複雜的本構關係。從細觀角度分析了堆石料應力應變關係的非線性、彈塑性、剪脹性、各向異性、應力路徑相關性的力學意義和主要影響因素。基於“應力-強度-組構”理論建立堆石體巨觀力學特性與細觀組構的內聯關係，揭示了堆石體縮尺效應的細觀機理。 本項目以考慮真實顆粒形狀和顆粒破碎的三維連續-離散耦合分析方法為研究手段，圍繞堆石體縮尺效應的產生機理，提出了由數值試驗、室內試驗和現場碾壓試驗相結合的堆石體參數確定方法。提出了與粒徑相關的單顆粒強度機率統計模型，揭示了堆石體縮尺效應的產生機理。通過數值試驗得到堆石體強度變形特性隨試樣尺寸的變化規律並外推至原級配堆石體，結合現場碾壓試驗驗證外推強度變形參數的合理性，為定量分析堆石體的縮尺效應提供了新的有效途徑。 研究成果為300m級高堆石壩建設提供重要的理論依據和技術支持，推動了我國高堆石壩設計和研究水平的提高。項目執行期間總計發表SCI檢索論文20篇，EI檢索論文10篇。申請國家發明專利6項（實審中）。協助培養博士研究生6名，碩士研究生10名。