地震作用下堆石體錨固效應(yīng)細(xì)觀機(jī)制研究

目前，我國(guó)西南地震帶附近已建或在建了一批200-300m級(jí)高堆石壩，因此深入認(rèn)識(shí)地震作用下的堆石體錨固效應(yīng)細(xì)觀機(jī)制并確保大壩在極端條件下的安全穩(wěn)定有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本項(xiàng)目以地震動(dòng)作用下堆石體的細(xì)觀響應(yīng)為研究主線，考慮了動(dòng)力作用對(duì)堆石體顆粒破碎的影響，建立了堆石顆粒動(dòng)力損傷本構(gòu)模型。顆粒破碎對(duì)顆粒集合體的力學(xué)響應(yīng)有著顯著的影響，本項(xiàng)目一方面研究了考慮真實(shí)形狀的單顆粒破碎的力學(xué)行為，并發(fā)現(xiàn)了顆粒形狀對(duì)于破碎強(qiáng)度的韋伯分布影響的一般規(guī)律；另一方面，進(jìn)一步對(duì)不同破碎模式帶來(lái)的宏細(xì)觀影響進(jìn)行探究，模擬了不同破碎模式下，單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中顆粒集合體破碎演化過(guò)程及結(jié)果，重點(diǎn)探究了靜水壓力狀態(tài)對(duì)破碎演化帶來(lái)的影響，并對(duì)破碎發(fā)生的空間關(guān)系進(jìn)行了分析。同時(shí)，本項(xiàng)目研究了堆石顆粒表面細(xì)觀特征對(duì)動(dòng)力響應(yīng)的影響，建立了三維隨機(jī)多面體顆粒動(dòng)力接觸模型和錨桿與堆石體相互作用動(dòng)力接觸模型，提出了考慮堆石體動(dòng)力錨固效應(yīng)的三維隨機(jī)散粒體模擬方法。通過(guò)物理試驗(yàn)和數(shù)值分析，在宏、細(xì)觀多層次上揭示動(dòng)力作用下堆石體的力學(xué)響應(yīng)及錨固效應(yīng)作用機(jī)理；改進(jìn)了現(xiàn)有的堆石體宏觀動(dòng)力本構(gòu)模型，并探討其合理性和適用性，并提出了加錨堆石體宏觀力學(xué)參數(shù)的確定方法。本項(xiàng)目的研究成果將有助于推動(dòng)堆石體宏細(xì)觀動(dòng)力學(xué)發(fā)展，可為我國(guó)西部高烈度地震區(qū)的200m~300m級(jí)高堆石壩建設(shè)提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持，并推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)和研究工作的發(fā)展，提高我國(guó)高堆石壩的設(shè)計(jì)和研究水平。 2100433B

我國(guó)西南地震帶附近已建或在建了一大批高堆石壩，其中許多壩高達(dá)到了200-300m級(jí)。由于壩高、庫(kù)大，一旦遭遇超強(qiáng)震而失事，其后果不堪設(shè)想。由于地震動(dòng)作用的復(fù)雜性、堆石體材料的非連續(xù)、非均質(zhì)及各向異性等使得人們對(duì)堆石體宏細(xì)觀動(dòng)力響應(yīng)機(jī)制的認(rèn)識(shí)還不夠深入，關(guān)于地震動(dòng)作用下的堆石體錨固作用的研究還不能滿足工程實(shí)踐的需求。本項(xiàng)目以地震動(dòng)作用下堆石體的細(xì)觀響應(yīng)為研究主線，通過(guò)室內(nèi)動(dòng)三軸試驗(yàn)及數(shù)值模擬在宏、細(xì)觀多層次上研究地震作用下堆石體錨固效應(yīng)的細(xì)觀機(jī)制?？紤]地震動(dòng)對(duì)顆粒破碎的影響，引入損傷變量建立堆石體動(dòng)力本構(gòu)模型；研究堆石顆粒表面細(xì)觀特征對(duì)地震響應(yīng)的影響，建立三維隨機(jī)多面體動(dòng)力接觸模型；提出三維隨機(jī)散粒體動(dòng)力細(xì)觀模型，改進(jìn)現(xiàn)有的堆石體宏觀本構(gòu)模型。研究成果將有助于推動(dòng)堆石體宏細(xì)觀動(dòng)力學(xué)發(fā)展，可為我國(guó)西部高地震烈度地區(qū)高堆石壩工程的設(shè)計(jì)、施工提供技術(shù)支撐，進(jìn)一步完善高堆石壩設(shè)計(jì)理論。

堆石混凝土是以大粒徑塊石組成堆石骨架，由專用自密實(shí)混凝土在重力作用下流動(dòng)充填堆石體空隙而形成的完整、密實(shí)、低水化熱的大體積混凝土。堆石混凝土技術(shù)由申請(qǐng)人團(tuán)隊(duì)發(fā)明，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已應(yīng)用于30多個(gè)水利水電工程。近期，將逐步推廣應(yīng)用于百米級(jí)大壩，對(duì)堆石混凝土的綜合性能和施工工藝等提出了更高要求。本項(xiàng)目擬采用細(xì)觀力學(xué)方法，1）研究新拌自密實(shí)混凝土在堆石體空隙中的流動(dòng)過(guò)程及填充機(jī)理，建立最佳施工層厚與塊石粒徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系以優(yōu)化施工工藝；2）研究溫度及多種荷載作用下，堆石體骨架與早齡期自密實(shí)混凝土的耦合作用與協(xié)調(diào)發(fā)展機(jī)制，深入認(rèn)識(shí)堆石混凝土早齡期抗裂機(jī)理，以優(yōu)化溫控；3）分析堆石骨架與塊石粒徑對(duì)堆石混凝土綜合性能的影響，發(fā)展檢測(cè)堆石混凝土性能的高效實(shí)驗(yàn)手段，建立模擬堆石混凝土結(jié)構(gòu)全生命期性能的數(shù)值分析模型。該項(xiàng)目的研究為百米級(jí)堆石混凝土大壩建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)。

本項(xiàng)目根據(jù)堆石混凝土工程的密實(shí)性與超大骨料等工程問(wèn)題提煉出的科學(xué)問(wèn)題開展研究，在Bingham兩相流體在復(fù)雜空隙中流動(dòng)、堆石體與自密實(shí)混凝土相互耦合作用、超大粒徑混凝土細(xì)觀力學(xué)模擬與綜合性能等領(lǐng)域開展了深入研究，發(fā)展了二維、三維LBM-DEM耦合模擬模擬堆石混凝土澆筑過(guò)程，揭示了澆筑過(guò)程的流動(dòng)規(guī)律和堵塞機(jī)理，提出了臨界阻塞條件主要依賴于自密實(shí)混凝土最大骨料粒徑與堆石孔隙尺寸之比以及自密實(shí)的流動(dòng)性能，從科學(xué)角度解釋了堆石混凝土實(shí)際工藝參數(shù)中：1）自密實(shí)混凝土最大粒徑小于20mm、堆石粒徑必須大于300mm的規(guī)定有一定富裕度，可以優(yōu)化以進(jìn)一步降低造價(jià)；2）自密實(shí)混凝土流動(dòng)性能是保障堆石混凝土密實(shí)度的關(guān)鍵因素，除傳統(tǒng)的V漏斗與塌落擴(kuò)展度以外，還必須加入穩(wěn)定性指標(biāo)。本研究發(fā)展的穩(wěn)定性試驗(yàn)方法和指標(biāo)已經(jīng)進(jìn)入最新編制的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目的研究直接促進(jìn)了技術(shù)進(jìn)步。本項(xiàng)目還采用物理試驗(yàn)、細(xì)觀力學(xué)模擬和有限元仿真分析等綜合手段研究了堆石混凝土熱物理及強(qiáng)度等力學(xué)性能與自密實(shí)混凝土性能的關(guān)系，建立了相關(guān)公式，進(jìn)入了堆石混凝土技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系，為堆石混凝土高重力壩和堆石混凝土拱壩建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)與理論支撐。本項(xiàng)目研究成果共發(fā)表SCI論文44篇，出版1部學(xué)術(shù)專著，參與主編了3個(gè)堆石混凝土相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主持編寫了2本國(guó)際技術(shù)文件，獲得8項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)，另有8項(xiàng)發(fā)明專利正在實(shí)質(zhì)審查，培養(yǎng)了10余名博士及一批碩士，項(xiàng)目組成員王進(jìn)廷教授獲得國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金資助。本研究成果獲得了教育部技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)和國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。 2100433B

在混凝土細(xì)觀隨機(jī)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的基礎(chǔ)上，深入研究混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的組成特點(diǎn)，建立合理的混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)的描述方法；在此基礎(chǔ)上，基于固體計(jì)算力學(xué)最新發(fā)展的細(xì)觀模擬方法，精細(xì)模擬混凝土細(xì)觀裂縫群的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，研究混凝土細(xì)觀應(yīng)力隨機(jī)重分布規(guī)律；基于多尺度理論，選取合適的狀態(tài)變量作為尺度間的橋梁，從細(xì)觀數(shù)值模擬結(jié)果出發(fā)求解宏觀損傷隨機(jī)演化規(guī)律，并與多維連續(xù)損傷模型相結(jié)合，構(gòu)成多尺度隨機(jī)損傷模型的完整體系；采用所建立的多尺度隨機(jī)損傷模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)的全過(guò)程非線性行為，有針對(duì)性地探索尺寸效應(yīng)等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)非線性分析難以處理的問(wèn)題，為結(jié)構(gòu)非線性分析與設(shè)計(jì)提供理論工具與技術(shù)支持。