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。     

考虑破碎的堆石料颗粒流数值模拟

以双江口300 m级高土石坝为工程背景,根据有关资料的试验数据,利用二维颗粒流计算机仿真技术对堆石料在一定围压下的颗粒破碎情况进行了数值模拟,数值试样由2 574个簇颗粒单元组成。数值模拟与室内平面应变试验结果对比表明,用选定的细观参数进行数值模拟与平面应变试验结果基本一致,说明用颗粒流方法进行数值模拟能够较好的再现堆石料的颗粒破碎特性。与室内试验相比,数值仿真模拟还能得到颗粒破碎的细观演化规律和破碎带的分布范围,从而为进一步建立考虑颗粒破碎的堆石坝本构模型,研究大坝填筑、水库蓄水过程以及地震情况下的颗粒破碎过程以及颗粒破碎所引起的坝体变形提供了一条途径。     

堆石料Gudehus-Bauer亚塑性本构模型改进及参数确定方法

研究了Gudehus-Bauer亚塑性本构模型和模型参数的求取方法。采用侧限压缩试验曲线求取模型参数颗粒硬度hs和指数n。根据模型方程的推导,建立了拟合指数 和 与围压之间的关系,并提出了新的拟合参数。考虑到堆石料具有明显的剪胀、剪缩性,在Gudehus-Bauer模型线性项中增加了主要控制体积应变项 ,以改善模型对堆石料体积应变曲线的描述。采用堆石料大型侧限压缩试验、常规三轴试验分别验证了新的拟合参数和改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型。与堆石料试验成果比较,提出的新拟合参数与改进后的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型可以较好地模拟堆石料的应力-应变特性,并较好地改善了堆石料体变曲线的模拟结果。对改进后的模型作了常规三轴加、卸载模拟,模拟结果反映了改进的Gudehus-Bauer亚塑性本构模型具有一定的卸载适应性。     

高聚物胶凝堆石料静力特性试验研究

采取加固措施可提高土体抗剪强度、减小变形等。采用聚氨酯高聚物胶凝堆石料加固土石坝以改良堆石料强度、变形特性。开展了聚氨酯胶凝堆石料三轴剪切试验研究,结果表明：聚氨酯胶凝堆石料偏应力-轴向应变曲线具有明显的非线性,抗剪强度提高;采用抛物线拟合偏应力-轴向应变曲线,可反映其应变软化和应变硬化,并得到初始弹性模量随聚氨酯含量的提高而提高;聚氨酯泡沫填充堆石颗粒间孔隙并将堆石颗粒黏结在一起,减少颗粒破碎、颗粒重排列,使堆石料剪缩特征减弱,当聚氨酯含量高时表现出剪胀;聚氨酯增加了堆石料准黏聚力,对内摩擦角无明显影响。通过有限元方法对堆石坝变形和稳定性进行分析,结果表明,聚氨酯加固堆石坝可减少边坡浅层滑动,增大滑弧深度,提高坝坡稳定安全系数。     

堆石料的临界状态与考虑颗粒破碎的本构模型

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机制有重要影响。临界状态土力学理论对重塑土的应力-应变关系的描述较为成功,但目前颗粒破碎对堆石料的临界状态的影响及其数学描述鲜有研究。对堆石料进行了固结应力从0.4 MPa到4 MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,以及6组等向压缩试验。试验结果表明：在排水条件和不排水条件下,不同的固结应力试样都趋于临界状态;堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。基于此试验结果,通过引入状态参数,在广义塑性力学的理论框架下,建立了考虑颗粒破碎的堆石料本构模型,并给出了模型参数的确定方法。与长河坝料的试验进行了对比,结果表明所建议的本构模型可以较好地模拟堆石料从低围压0.4 MPa到高围压 3.5 MPa下的应力-应变特性     

考虑颗粒破碎效应的堆石料静动力本构模型

为合理反映颗粒破碎对堆石料力学特性的影响,基于试验结果分析,得出了堆石料在压缩和剪切作用下的颗粒破碎特性规律。通过引入压缩破碎和剪切破碎的相关参数,借鉴已有本构模型的合理定义,吸收临界状态理论和边界面理论的优点,发展了考虑颗粒破碎和状态相关的堆石料静动力统一弹塑性本构模型,并阐述了模型参数的确定方法。该模型不仅能够反映堆石料在静力荷载作用下的低压剪胀、高压剪缩、应变软化和硬化等特性,还能够反映在循环荷载作用下应力-应变的滞回特性和残余变形的累积效应。最后为验证模型的合理性,分别对堆石料的静力三轴和循环三轴试验进行了数值模拟预测,结果表明：模型预测与试验数据吻合良好,所提出的本构模型能够合理地描述颗粒破碎对堆石料静动力变形特性的影响。     

粗粒料强度及变形特性的细观模拟

粗粒料是一定级配的岩石颗粒集合体,具有独特的物理力学特性。以粗粒料室内三轴固结排水试验成果为基础,基于离散元颗粒流理论,从细观角度出发,以PFC3D为工具,通过自编程及二次开发,得到按级配生成的粗粒料三轴试验数值模型。引入clump颗粒考虑颗粒形状对粗粒料强度及变形的影响,分析剪胀、颗粒形状、颗粒重排的关系。结果表明：颗粒形状是影响粗粒料强度与变形的主要因素,在其他细观参数一定的情况下,改变颗粒形状,可以显著影响粗粒料的力学行为;BPM模型的应力-应变关系只在低围压下与试验值吻合,随着围压的增大,偏差越来越大;而引入clump颗粒的PFC3D数值模型能很好地模拟粗粒料室内三轴固结排水试验的应力-应变特性,但由于BPM及clump都是刚性颗粒,没有考虑颗粒变形及破碎,造成应变剪胀偏大。     

堆石料的剪胀特性与广义塑性本构模型

以三轴试验成果为基础,考虑颗粒破碎引起堆石料剪胀比与应力比之间的非线性关系,提出了能够反映堆石料低围压剪胀、高围压剪缩特性的剪胀方程。在广义塑性理论框架内构造堆石料的塑性流动方向向量和加载方向向量,引入依赖于密实度与平均应力的压缩参数,构造随平均应力、剪应力比和密实度变化的塑性模量,建立了一个考虑颗粒破碎的堆石料弹塑性本构模型。阐述了该模型10个参数的确定方法,并通过模拟不同围压和不同应力路径下堆石料的三轴压缩试验资料验证了模型与参数的合理性。     

堆石料应力-应变特性大型三轴试验研究

通过对水布垭筑坝堆石料进行0.2~3.5 MPa围压下的大型三轴固结排水剪(CD)试验,分析了不同围压下堆石料的偏应力-轴应变关系及体应变-轴应变关系的变化规律;引入破坏强度和体变与围压的关系,采用临界偏应力σ_(cre)和临界体应变ε_(vcre)作为归一化因子对不同围压下的应力-应变关系试验结果进行归一化处理,建立了不同围压下的应力-应变关系表达式,并将计算预测与试验结果进行对比验证。研究表明:对于颗粒级配确定的密实堆石料,初始变形期存在一定的弹性增长阶段,且该直线段的斜率受围压的影响较大;低围压时表现为应变软化,先剪缩后剪胀为主的力学特性,且围压越低,剪胀效应越明显;高围压(0.8 MPa≤σ_3≤3.0 MPa)时表现为应变硬化、剪缩为主的特性;剪胀消失的临界围压处于0.45~0.8 MPa之间;超高围压(σ_33.0 MPa)条件下,虽表现为应变软化、剪缩的特性,但其应变软化的机制与低围压下不同;分析认为,超高围压下剪切过程中颗粒的相对破碎率达15%以上,颗粒破碎引起的堆石料强度降低大于围压的增大对堆石料强度的提高。峰值主应力比随围压的增大而降低,且随轴应变的增大而趋于一致。堆石料的破坏强度与围压呈线性相关。最后,通过计算预测结果证明了该应力-应变关系表达式的正确性。     

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。     

基于颗粒流的堆石料三轴剪切试验研究

近年来频发的地质灾害使得深入研究大坝堆石体受力变形机制显得愈发迫切和重要。针对堆石颗粒具有形状极其不规则、咬合作用突出的特点,编写了一个简单易用的程序来随机生成形状不规则的数值颗粒。以正四面体为核,按照晶胞繁衍的方式,生成堆石的仿真颗粒集合体。模拟排水剪切条件下的大三轴试验,通过分析数值试验过程中细观参量的变化规律,探讨三轴剪切条件下堆石体变形的细观机制。分析表明,按照晶胞繁衍法生成的数值颗粒与圆颗粒相比能更好地模拟堆石,由颗粒簇形成的咬合力能形成更真实的力-变形关系;数值试验得到的应力-应变曲线和体变曲线与室内三轴试验结果基本一致;颗粒的破碎速率是联系堆石体宏、细观力学性质的重要纽带,通过分析堆石体颗粒破碎4个阶段细观参量的变化规律,深化了对堆石体变形机制的认识。     

基于颗粒流程序的真三轴应力状态下堆石体的变形和强度特性研究

采用三维颗粒流程序,模拟了堆石体的真三轴试验,不仅研究了堆石体在三维应力条件下的宏观应力变形特点,而且将细观与宏观参数联系起来,进一步完善了对堆石体的研究。试验过程采用等中主应力比路径加载。通过比较堆石体真三轴颗粒流模型试验和室内真三轴试验结果,表明颗粒流程序能较好地模拟堆石体的力学特性。颗粒流数值试验结果表明,中主应力对堆石体在三向应力状态下的强度和变形特性均有显著的影响。应力比参数b从0～1变化过程中,中主应力面先压缩后膨胀,小主应力面一直处于压缩状态;中主应力对内摩擦角、弹性模量和泊松比也均有影响。从细观上看,围压越高,b值越大,颗粒配位数越大,孔隙率越小,故从细观角度解释了堆石体的宏观应力变形现象。     

基于颗粒破碎的粗粒土剪切强度的模拟分析

颗粒破碎在岩土工程领域是很常见的现象,土工试验中无法显示颗粒破碎过程及其影响,本文采用离散单元软件PFC2D模拟了考虑颗粒破碎影响的粗粒土的直剪试验,给出了考虑颗粒破碎的粗粒土直剪试验的模拟方法,分析粗粒土的剪应力-剪切位移关系、剪胀和剪切强度等宏观力学行为,探讨基本颗粒间黏聚力、单颗粒孔隙率和粗粒土试样的孔隙率对剪切强度的影响。结果表明:颗粒破碎对剪切强度的破碎准则有影响,颗粒不破碎试样的剪切强度符合Mohr-Coulomb准则;颗粒破碎试样的强度包络线是幂函数关系。     

堆石料等应力比路径四模量增量非线性模型

已有研究表明,土石坝内堆石料在施工填筑期的应力路径可近似为主应力比为常数的路径。根据大型三轴仪上进行的两种应力路径排水试验,即等向压缩的固结试验和等应力比值的剪切试验,提出了一个四模量增量非线性模型。模型除给出了堆石料体积模量K和剪切模量G的表达式外,对剪应力产生的体积应变和平均主应力产生的剪切应变也分别采用了交叉模量J1、J2表达。通过与试验数据的对比表明,四模量增量非线性模型能够较好地预测堆石料在等应力比路径下的应力-应变关系。     

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。