粗粒土級配演化對能量轉化機制的影響及本構模型研究

《粗粒土級配演化對能量轉化機制的影響及本構模型研究》是依託大連理工大學,由賈宇峰擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：粗粒土級配演化對能量轉化機制的影響及本構模型研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：賈宇峰

項目摘要

在理論分析和試驗方法等方面進行創新性研發的基礎上，進行系統的粗粒土顆粒破碎試驗，研究粗粒土的巨觀力學特性與能量轉化，揭示結構變化機理和能量轉化機制。首先，建立局部破碎參量描述破碎耗能在不同粒徑土顆粒間的分布，並與破碎參量相結合描述顆粒級配曲線在土體受力變形過程中的演化規律。在此基礎上，改進非線性滑動摩擦係數公式、破碎耗能關係式和破碎參量關係式，描述顆粒級配、應力狀態、應力路徑和密實度等巨觀因素對能量轉化的影響，建立破碎耗能、摩擦耗能、級配曲線演化之間的聯繫。最後，完善粗粒土受力變形過程中的能量轉化關係，描述土體在受力變形過程中荷載做功與彈性變形能、摩擦耗能、剪脹做功以及土顆粒破碎耗能之間的轉換過程。以能量轉化機制為基礎，建立一個能夠合理描述粗粒土本構關係的數學模型。

結題摘要

隨著我國西部水電開發進程的發展，在金沙江、怒江、瀾滄江、雅礱江、雅魯藏布江、大渡河和黃河上游正在興建一批高土石壩工程。隨著壩高的發展，作為主要築壩材料的粗粒土承受的荷載不斷增大。並且，由於具有較低的成本，顆粒強度較低的軟岩料和次堆石料在土石壩工程套用廣泛。因此，高土石壩粗粒土的顆粒破碎現象十分顯著，這直接導致了粗粒土的結構發生改變，使粗粒土的本構關係更加複雜。顆粒破碎影響土體的剪脹、內摩擦角、峰值強度、滲透係數和流變變形。但是，目前對於粗粒土在剪下過程中的級配演化規律尚不明確。本項目採用古水玄武岩築壩粗粒土堆石料進行了系統地顆粒破碎試驗，研究了制樣、固結和排水剪下過程中的顆粒級配變化。試樣的顆粒級配採用築壩堆石料的設計試驗級配，排水剪下試驗的固結應力最大達到2000kPa，符合實際工程中高土石壩內築壩粗粒土堆石料的實際狀態。研究結果表明，粗粒土堆石料在制樣過程中會產生較為顯著的顆粒破碎現象；在等向固結過程不產生顆粒破碎；低圍壓下（100kPa），顆粒間的翻越和滑移不受約束，土體在剪下過程中不發生明顯的顆粒破碎；髙圍壓下（500kPa以上），顆粒間的翻越和滑移受到限制，顆粒間的咬合力顯著提高，隨著剪下應變的增大，土體顆粒不斷發生破碎；在顆粒破碎過程，大粒徑顆粒首先破碎，隨著圍壓的增大，破碎的顆粒從大粒徑逐漸向小粒徑擴展，粒徑在0.5mm以下顆粒含量始終隨著剪應變的增大而增大，並且增長幅度隨著圍壓的增大而增大。高圍壓下，土體應力和剪下變形均對顆粒破碎產生影響。相同圍壓下相對破碎參量Br和剪應變直接的關係可以採用雙曲線公式描述。本項目研究了在制樣、固結和剪下過程中的粗粒土顆粒級配，揭示了粗粒土受力變形過程中粗粒土顆粒級配的演化規律，修正了破碎參量與剪應變的關係式。為研究粗粒土受力變形過程中的結構變化機理和能量轉化機制，建立能夠準確描述粗粒土本構關係的數學模型奠定了基礎。