軟巖堆石料劣化效應(yīng)及黏彈塑性本構(gòu)模型研究項(xiàng)目摘要

為保護(hù)生態(tài)環(huán)境，節(jié)省工程投資，越來越多的高堆石壩利用分布廣泛的軟巖料筑壩。但軟巖料受外部環(huán)境因素影響易造成顆粒劣化，產(chǎn)生顯著的劣化變形，是高堆石壩長期變形的重要組成部分，不利于高堆石壩安全運(yùn)行。本項(xiàng)目針對軟巖料劣化效應(yīng)及本構(gòu)模型問題，通過分析劣化試驗(yàn)資料，開展軟巖堆石料顆粒強(qiáng)度衰減特性和劣化變形規(guī)律研究，建立顆粒劣化模型，并基于廣義塑形理論構(gòu)建可合理反映顆粒劣化效應(yīng)的黏彈塑性本構(gòu)模型，結(jié)合高堆石壩原型觀測資料分析驗(yàn)證本構(gòu)模型的合理性；開發(fā)黏彈塑性有限元計(jì)算程序，分析環(huán)境因素作用下顆粒劣化效應(yīng)對高堆石壩長期變形特性的影響，揭示高堆石壩長期變形演化規(guī)律，并提出軟巖堆石料適宜布置范圍。研究成果將為利用軟巖料構(gòu)筑的高堆石壩長期變形預(yù)測提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

軟巖料受外部環(huán)境因素影響易造成顆粒劣化，產(chǎn)生顯著的劣化變形，是高堆石壩長期變形的重要組成部分，不利于高堆石壩長期運(yùn)行安全。因此，本項(xiàng)目針對軟巖料劣化效應(yīng)及本構(gòu)模型問題，主要研究內(nèi)容包括軟巖堆石料顆粒劣化效應(yīng)研究，反映顆粒劣化效應(yīng)的軟巖堆石料黏彈塑性本構(gòu)模型構(gòu)建，利用軟巖堆石料構(gòu)筑的高堆石壩長期變形演化規(guī)律研究。 取得的研究成果主要包括：（1）通過分析劣化試驗(yàn)資料，得到了顆粒劣化破碎、軸向變形和體積變形的變化規(guī)律，揭示了軟巖堆石料劣化變形機(jī)制，建立了劣化變形流動準(zhǔn)則，基于選定的顆粒強(qiáng)度參量，建立了軟巖堆石料顆粒劣化模型；（2）構(gòu)建了可統(tǒng)一考慮加載與劣化效應(yīng)的軟巖堆石料黏彈塑性本構(gòu)模型，基于ABAQUS有限元軟件開發(fā)了軟巖堆石料黏彈塑性本構(gòu)模型的UMAT子程序；（3）基于建立的本構(gòu)模型分析了高堆石壩長期變形特性，揭示高堆石壩長期變形演化規(guī)律，提出了軟巖堆石 料布置原則。 結(jié)合本項(xiàng)目的研究，共發(fā)表論文5篇，其中SCI收錄2篇，已錄用論文2篇；培養(yǎng)博士后1名，項(xiàng)目負(fù)責(zé)人入選第四屆中國科協(xié)青年人才托舉工程。 本項(xiàng)目的研究成果對定量預(yù)測利用軟巖料構(gòu)筑的高堆石壩長期變形具有重要意義，可為軟巖堆石壩設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 2100433B

隨著煤炭資源開采不斷向深部發(fā)展，凍結(jié)法鑿井穿越表土層厚度不斷加大，傳統(tǒng)凍土力學(xué)理論已不適用于深層凍結(jié)壁穩(wěn)定性評價(jià)。為揭示深厚表土凍結(jié)壁變形破壞的力學(xué)機(jī)制，發(fā)展和完善深部凍土力學(xué)基礎(chǔ)理論，本項(xiàng)目擬采用宏、細(xì)微觀相結(jié)合的方法，研究開挖卸荷作用下深部凍土的黏彈塑性損傷本構(gòu)模型及其工程應(yīng)用。具體內(nèi)容包括：開展卸載過程及卸載后蠕變階段深部凍土的細(xì)觀損傷CT實(shí)時(shí)試驗(yàn)，定量研究深部凍土細(xì)微觀損傷演化與宏觀力學(xué)行為之間的聯(lián)系, 建立符合實(shí)際的損傷演化方程；研究深部凍土的卸載屈服特征與黏塑性流動軌跡，基于損傷能量等效性假設(shè)，構(gòu)建卸荷條件下凍土的廣義黏彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系；采用應(yīng)力空間變換的方法將本構(gòu)關(guān)系拓展到復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，建立深部凍結(jié)壁穩(wěn)定性分析力學(xué)模型。通過開展本研究，對于揭示深部凍結(jié)壁的變形破壞機(jī)理具有重要意義，并為凍結(jié)壁的優(yōu)化設(shè)計(jì)與支護(hù)方式的改進(jìn)提供理論依據(jù)。

膠凝砂礫石料（膠凝堆石料）作為膠凝砂礫石壩的筑壩材料，其力學(xué)特性相關(guān)研究較少，一直是科研工作者需努力解決的問題之一。為了更系統(tǒng)深入地研究膠凝砂礫石料的力學(xué)特性并在此基礎(chǔ)上提出合理的彈塑性本構(gòu)模型，首先進(jìn)行了不同膠凝摻量的大三軸系列試驗(yàn)，膠凝砂礫石料強(qiáng)度變形特性分析驗(yàn)證了膠凝摻量60kg/m3-100kg/m3的膠凝砂礫石料更適用于膠凝砂礫石壩的實(shí)際工程。隨后選取膠凝摻量60kg/m3的膠凝砂礫石料試驗(yàn)結(jié)果，得出了膠凝砂礫石料的彈性參數(shù)，構(gòu)造出適用于膠凝砂礫石料的剪切屈服面與體積屈服面方程，建立了適用于膠凝砂礫石料的彈塑性本構(gòu)模型且利用多組試驗(yàn)結(jié)果模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證新的膠凝砂礫石料彈塑性本構(gòu)模型的通用性與合理性。同時(shí)進(jìn)行膠凝砂礫石壩離心模型試驗(yàn)研究。最后進(jìn)行了膠凝砂礫石壩的工作性態(tài)研究。上述研究成果為膠凝砂礫石壩的推廣與應(yīng)用提供了參考。 2100433B

本項(xiàng)目以地質(zhì)孔隙材料為對象，深入研究、討論了三類熱力學(xué)公設(shè)在地質(zhì)類材料性能研究中的應(yīng)用，發(fā)展了細(xì)觀力學(xué)，采用耗散塑性理論，研究了在考慮微觀結(jié)構(gòu)特性和摩擦機(jī)制的彈塑性性質(zhì)、本構(gòu)關(guān)系和屈服特性。 首先，考慮到巖土材料通常含有大量性質(zhì)不同的夾雜，而傳統(tǒng)細(xì)觀力學(xué)還沒有有效方法預(yù)測這類材料的宏觀剪切模量，本項(xiàng)目提出了基于廣義自洽模型的迭代方案，并發(fā)展了相關(guān)的代碼，可以準(zhǔn)確快速地給出含有大量性質(zhì)不同夾雜的巖土材料的有效剪切模量，同時(shí)給出對應(yīng)的體積模量。 其次，目前還沒有有效考慮巖土材料孔隙連通特性的細(xì)觀力學(xué)方法。本項(xiàng)目針對開孔連通孔隙介質(zhì)建立了一個(gè)新的細(xì)觀力學(xué)模型及系統(tǒng)的細(xì)觀力學(xué)方法，推導(dǎo)得到的有效模量表達(dá)式與金屬泡沫類型的孔隙材料及地質(zhì)孔隙材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有很好程度的吻合。 第三，由于孔隙材料具有很大的比表面積，表界面效應(yīng)對孔隙材料的性質(zhì)影響很大，本項(xiàng)目在黃筑平教授所提出的界面能理論的基礎(chǔ)上，提出了一套系統(tǒng)研究考慮界面影響的復(fù)合材料有效力學(xué)和熱學(xué)性能的方法，并應(yīng)用于預(yù)測孔隙材料的有效力學(xué)和熱學(xué)性能。 第四，針對巖土材料屈服性質(zhì)受靜水壓影響的特性，將變分方法推廣應(yīng)用到基體塑性可壓的孔隙材料，建立了非線性本構(gòu)關(guān)系和屈服面的表達(dá)式，所得結(jié)果能夠反映基體塑性可壓的特性，并考慮了含水量及孔隙壓力的影響。 最后，研究了經(jīng)典塑性理論與耗散塑性理論之間的關(guān)系，利用熱力學(xué)方法，提出了一個(gè)通用的自由能函數(shù)表達(dá)式，可以應(yīng)用于模量隨應(yīng)力變化的地質(zhì)材料（金屬材料模量不變的情況是其特例）；進(jìn)一步，由耗散塑性理論出發(fā)，推導(dǎo)了考慮摩擦耗散機(jī)制的屈服函數(shù)。 該屈服函數(shù)保證了外凸性質(zhì)，且應(yīng)用范圍更廣。 2100433B