高心墙土石坝坝料流变模型参数的智能识别研究

通过在遗传算法中引入位爬山法,有效地改善了遗传算法的局部优化能力,提高了其优化速度与精度。采用这一改进的遗传算法对糯扎渡水电站心墙土石坝坝料流变模型参数进行了大范围识别,实现了参数空间内全局意义上的快速搜索。对取自不同坑号的各种坝料进行了流变参数识别,识别结果较准确地反映了不同应力水平下坝料的流变特征,拟合精度较高。结果表明：不同坑号的坝料在力学特性上各有差异,为了全面了解各种坝料的流变特性,对不同料场的坝料进行试验研究是有必要的;同时,不同应力状态下坝料的流变力学参数有差异,说明不同围压对坝料结构的改变也不同,从而对其流变特征的影响也会有差异。     

热-力耦合作用下垃圾土体积变形特性和模型研究

城市生活垃圾填埋场因有机质降解产热导致其内部温度长期高于环境温度,引发工程运维问题。垃圾土温控三轴试验结果发现,温度变化引起的垃圾土体积应变与应力水平有关,且弹性体积应变占比较大,影响以塑性体积应变为硬化参数的弹塑性本构模型研究。在前期试验基础上,采用GDS温控应力路径三轴仪,研究了排水条件下温度对垃圾土中黏土体积变形特性和压缩特性的影响,并与相同条件下垃圾土体积变形特性进行比较,揭示了温度变化对垃圾土体积变形特性的影响机制。基于垃圾土温控三轴试验结果,推导了垃圾土热弹塑性压缩指数λ_T和热弹性压缩指数κ_T的确定方法;采用等效应力原则,假设温度变化引起的弹塑性体积应变等于某一等效应力增量引起的弹塑性体积应变,建立了垃圾土在热-力耦合作用下的体变计算模型,并对模型进行了验证分析。研究结果表明,孔隙比是影响垃圾土温度体积应变的主要因素;垃圾土的λ_T和κ_T随初始固结应力的增加而减小,比黏土高一个数量级;选取常温下相应固结应力水平的回弹指数κ和压缩指数λ比例值(κ/λ)能够较好地模拟热-力耦合作用下垃圾土的体...     

堆石料湿化变形特性试验研究

湿化变形是土石坝的主要后期变形之一,对坝体的应力变形性状具有显著影响。采用糯扎渡高心墙堆石坝的弱风化花岗岩堆石料进行了常规三轴试验、不同围压和应力水平条件下的流变-湿化组合试验和快速湿化三轴试验等,分析了流变-湿化组合试验各阶段的变形特征,重点研究了堆石料湿化变形的过程、特性及发生机制。结果表明,可将堆石料湿化变形划分为湿化瞬时变形和湿态流变变形两个部分。其中,湿化瞬时变形是堆石料随浸水饱和过程发生的变形,其应变增量的方向平行于相应应力状态下应力加载应变增量的方向,且具有非硬化特性;湿态流变变形是堆石料试样在饱和浸水完成后发生的随时间的变形,和一般堆石料的流变变形具有相类似的特性。湿化变形是堆石料浸水后所导致的物态弱化变形。可将堆石料湿化看作一种广义的荷载。     

非饱和心墙料的固结不排水试验特性

土石坝心墙在施工期间处于非饱和状态,且坝体是分级填筑的。应力变形计算时将载荷分成若干级增量,每一级增量假设瞬间完成,等固结一段时间后再施加下一级载荷。由于施加荷载的瞬间来不及排水,因此,总应力法计算参数可以由固结不排水、不排气试验取得。通过三轴试验,揭示了非饱和心墙料的固结、应力-应变及侧向变形特征,探讨了固结过程中体积应变随时间的变化规律,建立了切线泊松比与围压的双曲线关系模型。     

考虑应力路径影响下砂土的三维本构模型

应力路径是影响土的应力-应变关系的一个重要因素。通过对一组砂土（日本Toyoura砂）三轴试验结果的详细分析,揭示了应力路径对剪应变及体积应变的影响规律,进而建立了能反映应力路径影响的应力-应变增量本构模型,提出的统一硬化参数反映了其剪胀特性,引入的变换应力能反映三维应力-应变特性。     

粗粒筑坝材料的动力变形特性

结合室内大型动三轴试验资料,对粗粒料的动力变形特性进行研究后认为,在复杂的高应力条件下振动过程中试验粗粒料由于体积缩小而变得更为密实,其动应力-应变关系与Hardin-Drnevich模型的双曲骨架曲线假定有明显差异,其阻尼特性也不符合Hardin假定;提出了反映试验过程中材料振动硬化特性的幂函数型动应力-应变关系模型和基于试验资料的粗粒料阻尼比估算公式;粗粒料的动残余变形特性与其初始密度、静应力状态、动荷载、振动持续时间等因素密切相关,建立了考虑初始固结围压影响的粗粒料残余应变与动剪应力之间的关系模型。可为强震区超高土石坝的深入研究提供可靠的理论依据。     

土石坝变形计算中的应力路径问题

通过试验资料,说明了应力路径对砂土的应力-应变关系的影响;从实测资料及有限元法计算的结果,分析了土石坝中应力路径的特点;然后介绍了部分现有在土石坝变形计算中考虑应力路径影响的方法;最后,通过砂土的等应力比及变应力比路径试验资料的分析,揭示了二者之间具有良好的相关关系,推导了变应力比路径下非线性弹性模型参数的计算方法,提出了在土石坝变形计算中考虑应力路径影响的分析方法。     

黑河黏土心墙土石坝分期位移反分析

高心墙土石坝的安全性评价问题涉及到土坝的变形与渗流规律及相关力学参数的确定,是当前土力学研究的热点与难点之一。由于土石坝受施工过程中施工工艺、施工方法和施工质量以及运行期运行环境和管理方法的影响,土石坝坝料的实际力学参数与原设计参数有一定的差别。为获得西安黑河黏土心墙土石坝大坝填料实际的力学参数,利用大坝的应力、变形与渗流观测资料,通过深入分析大坝变形机制和渗流特征,建立了黑河黏土心墙土石坝变形与荷载之间的对应关系,提出了基于准饱和土固结理论的心墙土石坝分期位移反分析的思路与方法,实现了心墙土石坝施工期、运行期全过程反演。结果表明该方法可反演得到心墙土石坝填筑材料的主要参数（邓肯-张模型）、心墙渗透系数及湿化变形参数。反演思路与方法对同类工程设计与反分析具有参考意义。     

黏性土非线性弹性K-G模型的一种改进方法

为解决《土工试验规程》建议的K-G模型未考虑土体剪缩性问题并保持其简单性,在其基础上增加了一个剪缩模量,建议了一个3模量7参数K-G-D模型,给出了用 和 与 和 表示的完整的增量应力应变关系式;通过正常固结黏土的各向等压固结试验和等平均正应力的三轴压缩排水试验标定了模型参数;进行了黏土的常规三轴压缩排水试验,利用模型参数预测了相应路径下土样的体积与轴向变形,经与实测值对比,预测结果较好。该模型可考虑土体压硬性、剪缩性、应变强化特性,能较完善地描述欠固结和正常固结土及松砂和中密砂在等 和增 路径下的变形特性;模型并未在规程模型的基础上增加试验工作,且概念清晰、形式简单、便于实际应用。     

引入非线性瞬时弹性模量的软土流变模型

软土是一种非线性流变物质,但现行流变模型却忽略了加载瞬时的非线性变形;软土流变试验参数是数学模型参数而非物理模型参数,一个土样一般只对应一种材料参数,但现行流变模型的模型参数常随着荷载变化,且变化无规律,离散性大。基于以有机质为流变相物质的人工土试样室内一维压缩蠕变试验,建立了各级荷载作用下具有相同模型参数的7组件流变模型,用非线性弹簧H描述软土加载瞬时弹塑性变形、并联的三元件组件模拟软土随时间变化的黏弹塑变形。结果表明：引入三次非线性瞬时弹性模量的7组件流变模型能够较准确地反映软土的流变特性。     

基于组合指数型流变模型的堆石坝流变分析

由于3参数、6参数、7参数指数流变模型以及Merchant模型和H-K模型均仅有一个指数式进行堆石坝流变收敛率调节,难以同时合理地反映蓄水初期和蓄水后期的堆石坝沉降变化规律;而9参数幂函数流变模型虽然可以较好地反映堆石坝的沉降变化规律,但数学运算较复杂。类比混凝土热学力学性能变化规律的组合指数式,从唯象角度建议了一种既能较好地反映堆石坝流变变形规律,又便于数学运算的组合指数型流变模型,并推导了组合指数型流变模型有限元计算公式。实例分析表明,组合指数式只需取2项,由于具有2个指数式协调调整,可较好地反映堆石坝流变变形规律且数学运算方便;而一个指数式流变模型是组合指数式流变模型的特例,难以合理反映蓄水后期堆石坝的沉降变化规律。     

水布垭面板堆石坝流变影响研究

采用9参数流变模型对水布垭面板堆石坝堆石料的流变影响进行了分析和研究,并从试验角度对堆石料流变变形机理进行了初步探讨。计算结果表明,三维仿真计算的典型部位的大坝沉降变形历时曲线与实测沉降资料比较吻合,验证了9参数流变模型的有效性、可行性。     

关于堆石料三维流变速率的一点注记

原型监测表明面板堆石坝一般存在比较显著的流变现象。针对不同文献给出的堆石料三维剪切流变速率计算式存在差异,笔者以3参数指数流变模型为例对堆石料三维流变速率进行了研究。假设体积流变和剪切流变变化规律不同,首先推导了三维体积流变速率计算公式,然后依据Prandtl-Reuss流动法则可以由Mises屈服函数作为塑性势函数推导获得。为此,采用关联流动法则,同时假设塑性势函数为Mises屈服函数,导出了堆石料三维剪切流变速率计算式。通过将三维流变速率计算式退化为单轴流变速率计算式进行合理性分析,分析表明,本文导出的三维流变速率计算式理论上是严谨的,由此指出相关文献给出的流变速率计算式理论上不严谨。     

基于响应面法的高堆石坝瞬变-流变参数反演方法

如何准确确定原级配堆石体的力学参数是高堆石坝建设中亟待解决的一个关键问题,参数反演是解决这一问题的可行方法之一,传统的参数反演方法因需要进行大量的有限元正分析,其计算工作量大,反演效率较低。响应面法可以有效克服以上问题,但已有方法仅针对堆石体的瞬变参数,未考虑流变参数,不能满足堆石坝长期变形预测的需要。综合考虑瞬变和流变参数,通过构造更加合理的响应面函数,提出了基于响应面法的高堆石坝瞬变-流变材料参数反演方法,大大提高了反演的效率和精度。以水布垭面板堆石坝为例,采用该方法对坝体瞬变和流变参数进行了反演分析。反演结果表明,计算值与实测值在数值和变化规律上总体符合较好,反演结果合理可靠且更加高效。     

高堆石坝瞬变-流变参数三维全过程联合反演方法及变形预测

利用反演分析得到的参数进行高面板坝的应力、变形分析来预测长期变形。由于堆石坝的施工过程和变形机制比较复杂,很难将瞬时变形和流变变形分开,因此,有必要对静力本构模型参数和流变模型参数进行综合反演。利用实测位移资料,以对堆石坝变形较敏感的静力本构模型和流变模型参数为待反演参数,采用基于粒子迁徙的粒子群算法和径向基函数神经网络构建参数反演平台,该方法克服了粒子群算法易陷入局部最优和早熟收敛的缺点,采用经过训练的神经网络来描述模型参数和位移之间的映射关系,节省了参数反演的计算时间。对水布垭高面板坝的反演结果表明,基于反演参数的沉降计算值与实测值吻合得很好,坝体变形在合理范围以内并趋于稳定。     

堆石料单轴流变试验的颗粒流模拟

岩石断裂力学的亚临界裂缝扩展理论认为微裂缝扩展可导致岩石破碎,即岩石颗粒破碎具有时间效应。根据亚临界裂缝扩展理论,提出了考虑微裂缝扩展导致堆石颗粒破碎时间效应的数值流变模拟新方法,并进行了考虑颗粒不同典型破碎模式的单轴流变颗粒流数值试验。在对比数值与室内流变试验曲线的基础上,分析了数值流变过程中颗粒破碎情况与颗粒体内部结构发展过程等。研究成果表明,两种试验手段得到的堆石流变的发展趋势基本一致,由微裂缝扩展引起的颗粒延时破碎是堆石流变的主要原因之一,深化了对堆石料变形机制的认识。     

颗粒劣化效应的堆石料流变细观数值模拟

堆石料流变的主要机理是由于水位变化、降雨入渗、日晒雨淋等环境因素导致堆石料发生性质劣化,与此同时,颗粒发生高接触应力-破碎和重新排列-应力释放、调整和转移,这一过程由于颗粒的持续劣化而不断重复。在考虑颗粒破碎的堆石体不连续变形分析方法(SGDD)中,引入颗粒强度劣化模型反映颗粒强度随外界环境的持续劣化。应用该方法进行堆石料三轴流变数值试验,模拟结果与室内试验所观察到的规律一致,表明考虑流变效应的SGDD方法抓住堆石料流变的主要机理,适合模拟堆石料的流变变形这一复杂的、非线性演化问题。数值试验结果表明,堆石料随外界环境的劣化程度、劣化速率、母岩强度对宏观流变变形有较大影响。     

混凝土面板堆石坝应力变形长期性状有限元模拟

为了获得混凝土面板堆石坝长期力学行为（尤其流变变形对混凝土面板堆石坝工作性状的影响）定量分析成果,运用ABAQUS有限元对国内某抽水蓄能电站混凝土面板堆石坝进行了数值模拟。采用考虑非线性强度的改进双屈服面流变模型描述堆石料长期力学性能,其中瞬时塑性变形采用改进双屈服面模型确定,而黏塑性流变变形采用指数衰减函数定义。有限元分析获得坝体、单元和面板在填筑期、蓄水期与运行期的应力与变形一般规律。结果表明：运行阶段堆石流变变形对混凝土面板堆石坝应力、变形性状产生显著影响。研究结论有益于进一步了解和合理预测混凝土面板的长期性能。     

公伯峡面板堆石坝流变变形的反演分析

采用沈珠江等提出的流变模型,根据公伯峡面板堆石坝坝体填筑竣工到蓄水前的沉降监测资料,进行反演分析得到相应的流变参数,并用该参数对大坝应力变形进行了计算分析。沉降点监测值和计算值变动规律比较一致,说明了流变模型的有效性;由于坝体堆石料的流变,面板的受力变形在运行期内呈现一定规律性的变化,并逐渐趋于稳定     

颗粒破碎效应对堆石坝应力变形的影响

颗粒破碎对堆石体的变形有重大影响,颗粒破碎除与母岩强度有关外,与应力状态密切相关,高堆石坝堆石体的大部分变形正是高应力场下颗粒破碎的反映。沈珠江院士提出的南水双屈服面模型虽可以较全面地反映堆石体的变形特性,但未充分考虑颗粒破碎引起的剪缩特性,因此坝体变形计算结果往往偏小,适用于中低堆石坝的分析中。本文的计算方法在南水双屈服面模型的基础上,考虑了堆石体在一定应力状态下颗粒破碎引起的应变,较真实地反映了堆石体的变形特性,可为堆石坝尤其是高堆石坝的应力变形研究提供更为合理的结果。