高應力作用下粗粒土細觀力學及壩工特性研究結題摘要

近年我國超高壩建設發(fā)展較快，對在髙應力下粗粒土力學和壩工特性的研究引起較多學者的關注。本項目在課題組前期研究的基礎上，利用自主研發(fā)的試驗裝置及可視化細觀測試分析系統(tǒng)，進行了室內高應力顆粒接觸試驗和離心機模型試驗，并結合離散元數(shù)值模擬，從細觀層面入手、細宏觀相結合系統(tǒng)研究了在髙應力作用下粗粒土細觀力學及壩工特性。 通過粒間接觸和流變試驗，揭示了粗粒土顆粒接觸特性的力學機理，發(fā)現(xiàn)板巖和石膏的法向接觸剛度值相差4倍，球-面接觸試驗的法向接觸剛度是球-球接觸試驗的法向接觸剛度的1.7倍。建立了彈性核尺寸與球形顆粒材料力學性質和顆粒尺寸相關的經驗公式。建立了球形顆粒球-球法向接觸破碎準則和石膏顆粒三點接觸下顆粒破碎強度準則。建立了髙應力下粒間接觸模型和流變模型，結合離散元數(shù)值模擬揭示了粒間接觸細宏觀力學之間的聯(lián)系，實現(xiàn)了對顆粒內部破碎的細觀過程和彈性核發(fā)展過程的觀測。 通過可視大型直剪試驗，揭示了粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細觀力學機理。通過對大型直剪數(shù)值試驗中顆粒的細觀運動規(guī)律進行分析發(fā)現(xiàn)，在剪切過程中剪切帶的形成與發(fā)展并不是嚴格按照上下盒之間的剪切縫展開，而是沿著向上突起的拱形滑動面發(fā)展。 通過可視離心機試驗，驗證了粒間接觸模型和流變模型，揭示了接近實際應力場條件下粗粒土破壞的細觀力學機理及與宏觀力學響應之間的內在聯(lián)系。通過對不同粒徑大小的粗粒土壩體，在不同離心加速度下進行模型試驗，發(fā)現(xiàn)離心加速度對于粗粒土的粒徑具有明顯的放大作用。 本課題從粗粒土顆粒接觸角度研究顆粒破碎的力學機理，開辟了研究粗粒土顆粒破碎的新途徑，不僅為髙應力下粗粒土的深入研究提供了細觀力學基礎，也為超高土石壩工程性能的分析提供理論依據。本項目組已獲得國家實用新型專利一項，發(fā)表學術論文9篇，其中SCI、EI論文8篇。 2100433B

近年我國超高壩建設發(fā)展較快，對在髙應力下粗粒土力學和壩工特性的研究引起較多學者的關注。本項目擬采用自主研發(fā)的試驗裝置及可視化細觀測試分析系統(tǒng)，利用多種試驗手段和數(shù)值模擬，從細觀層面入手、細宏觀相結合來研究在髙應力作用下粗粒土細觀力學及壩工特性：(1)通過粒間接觸和流變試驗，建立髙應力下粒間接觸模型和流變模型，結合離散元數(shù)值模擬揭示粒間接觸細宏觀力學之間的聯(lián)系；(2)通過可視大型直剪試驗，揭示粗粒土的顆粒破碎演化規(guī)律和細觀力學機理；(3)通過可視離心機試驗，驗證粒間接觸模型和流變模型，揭示接近實際應力場條件下粗粒土破壞的細觀力學機理及與宏觀力學響應之間的內在聯(lián)系；(4)結合實際工程，采用離散-連續(xù)混合數(shù)值方法，分析超高土石壩結構薄弱環(huán)節(jié)的細觀演化規(guī)律，從細觀角度揭示超高土石壩破壞過程的力學機理。本研究可為髙應力下粗粒土的深入研究提供細觀力學基礎，為超高土石壩工程性能的分析和評價提供理論依據。

我國西南地震帶附近已建或在建了一大批高堆石壩，其中許多壩高達到了200-300m級。由于壩高、庫大，一旦遭遇超強震而失事，其后果不堪設想。由于地震動作用的復雜性、堆石體材料的非連續(xù)、非均質及各向異性等使得人們對堆石體宏細觀動力響應機制的認識還不夠深入，關于地震動作用下的堆石體錨固作用的研究還不能滿足工程實踐的需求。本項目以地震動作用下堆石體的細觀響應為研究主線，通過室內動三軸試驗及數(shù)值模擬在宏、細觀多層次上研究地震作用下堆石體錨固效應的細觀機制?？紤]地震動對顆粒破碎的影響，引入損傷變量建立堆石體動力本構模型；研究堆石顆粒表面細觀特征對地震響應的影響，建立三維隨機多面體動力接觸模型；提出三維隨機散粒體動力細觀模型，改進現(xiàn)有的堆石體宏觀本構模型。研究成果將有助于推動堆石體宏細觀動力學發(fā)展，可為我國西部高地震烈度地區(qū)高堆石壩工程的設計、施工提供技術支撐，進一步完善高堆石壩設計理論。

目前，我國西南地震帶附近已建或在建了一批200-300m級高堆石壩，因此深入認識地震作用下的堆石體錨固效應細觀機制并確保大壩在極端條件下的安全穩(wěn)定有重要的現(xiàn)實意義。本項目以地震動作用下堆石體的細觀響應為研究主線，考慮了動力作用對堆石體顆粒破碎的影響，建立了堆石顆粒動力損傷本構模型。顆粒破碎對顆粒集合體的力學響應有著顯著的影響，本項目一方面研究了考慮真實形狀的單顆粒破碎的力學行為，并發(fā)現(xiàn)了顆粒形狀對于破碎強度的韋伯分布影響的一般規(guī)律；另一方面，進一步對不同破碎模式帶來的宏細觀影響進行探究，模擬了不同破碎模式下，單軸壓縮實驗中顆粒集合體破碎演化過程及結果，重點探究了靜水壓力狀態(tài)對破碎演化帶來的影響，并對破碎發(fā)生的空間關系進行了分析。同時，本項目研究了堆石顆粒表面細觀特征對動力響應的影響，建立了三維隨機多面體顆粒動力接觸模型和錨桿與堆石體相互作用動力接觸模型，提出了考慮堆石體動力錨固效應的三維隨機散粒體模擬方法。通過物理試驗和數(shù)值分析，在宏、細觀多層次上揭示動力作用下堆石體的力學響應及錨固效應作用機理；改進了現(xiàn)有的堆石體宏觀動力本構模型，并探討其合理性和適用性，并提出了加錨堆石體宏觀力學參數(shù)的確定方法。本項目的研究成果將有助于推動堆石體宏細觀動力學發(fā)展，可為我國西部高烈度地震區(qū)的200m~300m級高堆石壩建設提供重要的理論依據和技術支持，并推動相關領域設計和研究工作的發(fā)展，提高我國高堆石壩的設計和研究水平。 2100433B

隨著地下工程不斷向地層深處發(fā)展，對高應力水平下土層力學性質的研究需求日趨迫切，然而目前關于高應力水平下粘土的力學特性研究十分缺乏。本項目基于結合水與土骨架相互作用是高應力水平下飽和粘土力學響應的決定性影響因素的研究思想，首先對飽和粘土進行高應力水平下不同排水條件、固結路徑和剪切應力路徑的室內試驗研究；同時結合試驗結果并利用結合水與土骨架相互作用的微觀理論，分析獲得飽和粘土高應力水平力學特性的微觀內在機理；并將該機理引入到基于離散元理論的顆粒流數(shù)值模擬程序，進行試樣水平的數(shù)值試驗；然后綜合分析離散元數(shù)值試驗結果和室內試驗結果，提出與現(xiàn)有土力學理論相銜接的粘土高應力水平力學特性宏觀機理模型；最終建立可以合理描述飽和粘土高應力水平力學特性的固結理論和本構關系，并對其展開大變形有限元模擬實現(xiàn)研究。