排土场堆石料单线法湿化变形试验研究

为分析降雨入渗条件下排土场堆石料浸水湿化变形特性,采用粗粒土压缩试验机对排土物料开展单线法浸水湿化试验,研究堆石料在不同应力水平条件下的湿化变形特征,揭示其湿化变形发生机制,建立堆石料湿化蠕变模型。结果表明：排土场堆石料浸水湿化变形显著且不可忽略,随竖向压应力的不断增加,湿化变形量也显著增大。结合堆石料湿化变形速率发展特征,可将湿化变形分为瞬时变形和流变变形两部分,且流变变形大于瞬时变形。基于堆石料湿化变形时程曲线,建立了堆石料四参数双曲线型湿化蠕变模型,模型计算结果较为准确,能够客观反映排土场堆石料浸水湿化变形发展规律。     

堆石料湿化对混凝土面板堆石坝应力变形特性影响研究

心墙堆石坝的湿化变形已经为人们认识和重视,面板堆石坝由于上游有混凝土面板挡水,其湿化变形很少引起重视,但由湿化变形比较明显的堆石料填筑的坝体,在降雨过程中往往产生较大湿化变形,影响混凝土面板的工作性状。本文研究提出了大气降水引起堆石体达到一定饱和度情况下湿化变形的计算方法。进行了滩坑水电站混凝土面板堆石坝堆石料湿化变形试验,采用弹塑性平面有限单元法,分析研究了堆石料浸水湿化对坝体应力变形以及混凝土面板应力变形性状的影响。     

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。     

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。     

适用于堆石料的分数阶下加载面模型

堆石料的应力-应变曲线具有应变硬化和软化的特性,并且体积变形会伴随着剪缩和剪胀现象的发生;此外,应力水平、应力路径和密度等因素均会对堆石料的力学特性产生显著的影响。基于临界状态土力学的理论框架,建立了适用于堆石料的分数阶下加载面模型,该模型为典型的双屈服模型。在平均主应力p-剪应力q平面,剪切过程中堆石料当前应力状态点和参考应力点分别位于下加载面和参考屈服面上,两者之间的相对位置与孔隙比之差ρ相关。相比于状态参量Ψ,ρ能够额外考虑应力路径对堆石料剪胀特性的影响。新模型的另一个显著特点在于能够考虑堆石料塑性流动方向与加载方向之间的差异性。在不引入塑性势函数的情况下,新模型对屈服函数进行Caputo微分并得到分数阶塑性流动法则,进而统一描述相关联和非相关联的塑性流动法则。新模型具有形式简单且参数较少等优点,所包含的7个材料参数均具有明确的物理意义,并且可以采用常规的室内试验结果进行标定。通过将模型计算结果与Tacheng堆石料在不同初始孔隙比和围压条件下的三轴压缩排水试验结果进行对比分析,结果表明新模型能够准确地描述堆石料的应力-应变曲线和体积变形特点;同时,新模型也能够合理地描述初始孔隙比对堆石料在e-lnp平面(e为孔隙比)临界状态线的影响。     

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。     

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。     

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     

堆石体流变对混凝土面板坝应力变形特性的影响

简要介绍了公伯峡水电站混凝土面板堆石坝坝内堆石料流变试验结果和流变计算模型。采用三维有限单元法对公伯峡水电站混凝土面板坝进行了模拟计算,对比了考虑堆石料流变和不考虑流变的计算结果,分析研究了堆石料流变特性对坝体变形以及对混凝土面板应力变形和周边缝位移的影响。     

堆石料状态相关弹塑性本构模型

堆石料的强度变形特性与初始孔隙及应力状态等因素相关。建立了能够预测不同初始孔隙与初始围压影响的堆石料弹塑性本构模型。在剑桥类本构模型框架内,模型能够反映随着孔隙与围压的增大,变形特性由剪胀趋于剪缩的规律。模型采用了基于颗粒体材料细观结构变化的屈服函数和非关联流动准则,提出了能够反映堆石料正常固结线不唯一的硬化参数。为了反映状态相关性,假定堆石料存在唯一的临界状态面,探讨了考虑状态相关性需要满足的数学条件,从而对剪胀方程与硬化参数进行了修正。提出了基于粒子群优化算法的模型参数快速确定方法,将某筑坝堆石料不同初始孔隙比与围压条件下模型预测结果与三轴试验结果对比,验证了模型的合理性。     

高混凝土面板堆石坝流变的三维有限元数值模拟

采用一种新的能模拟高围压条件的堆石料幂函数流变本构模型,对水布垭面板堆石坝进行了考虑堆石料流变特性的应力-应变仿真分析。结果表明,考虑堆石料流变特性后的坝体变形有明显的增加,坝体应力有所松弛。堆石体的流变特性使得面板的挠度有所增加,面板顺坡向和坝轴向拉应力极值有所增大。对于分期浇筑面板、分期蓄水的高混凝土面板堆石坝,选用合适的流变本构模型正确地模拟堆石体的流变特性,其结果可以为大坝填筑进度及面板分期浇筑时间的确定提供参考,对于正确地预测大坝的应力变形也具有重要意义。     

应力路径对堆石体变形的影响

通过改变填筑程序,对一200 m级高面板堆石坝工程实例进行了应力-应变仿真模拟,分析表明：采用邓肯E-B非线性弹性模型和中点增量法,可以合理地反映出施工加载过程对坝体变形和结构性态的影响;堆石体的变形与加载的方式有关,相同的应力水平、不同的应力路径,其变形是不同的;对需分期填筑的高面板堆石坝,优选填筑次序对控制坝体变形有明显的作用。结果对工程建设有实际意义。     

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。     

堆石蠕变机理分析与颗粒破碎特性研究

根据大型压缩仪完成的堆石蠕变试验,结合颗粒破碎测试试验,对蠕变产生的机理进行了简要的理论分析,在力的作用下,细化破碎的堆石颗粒滑移充填孔隙是发生蠕变的重要原因。堆石颗粒的破碎可分为对应于主压缩变形的颗粒破碎和伴随蠕变变形的颗粒破碎。颗粒破碎引起堆石级配的细微改变,从而形成后期变形。     

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。     

九甸峡堆石料三轴蠕变试验初探

堆石料蠕变变形,是高土石坝设计中关注的主要问题之一,目前尚未很好解决。针对当前高土石坝的需要,采用大型高压三轴蠕变仪进行了堆石蠕变试验。通过试验,对堆石的三轴蠕变试验方法进行论述,并对堆石三轴蠕变试验中的蠕变时间起点、蠕变变形稳定标准进行了讨论,同时建议了三轴蠕变试验中蠕变时间起点和蠕变稳定的参考标准。试验结果表明,堆石的蠕变变形与围压及应力水平有关,特别在高围压、高应力水平作用下,蠕变稳定明显缓慢;在双对数坐标下,蠕变变形与时间呈较好的线性关系,且不同应力状态下的堆石蠕变规律基本相似。     

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。     

一个用于面板坝流变分析的堆石流变模型

在前人工作的基础上, 从宏观上建立了一个用于面板坝流变分析的堆石流变模型: 堆石的瞬时弹塑性变形由椭圆-抛物双屈服面模型确定,并计入时间效应, 由双曲线函数经验公式计算堆石与时间有关的粘塑性变形。通过现场实测结果的反分析验证了模型的可靠性。     

Study on wetting deformation characteristics of coarse granular materials and its simulation in core-wall rockfill dams

The wetting deformation of coarse granular materials is often considered to be an important cause of the core wall rockfill dam cracks during impounding. By analyzing existing research results, this paper proposes a hyperbolic relationship between the wetting axial strain and wetting stress level and puts forwards a warped surface relationship among spherical stress, shear stress, and the ratio of wetting volumetric strain to wetting axial strain. To illustrate its practicability, the wetting strain model's parameter determination process is introduced and the rockfill materials wetting parameters are determined using the triaxial wetting test data. Moreover, the collapse settlement of Guanyinyan rockfill dam during first impounding is numerically simulated using the proposed method to calculate rockfill wetting deformation and verified by field measurements and monitoring data. The results show that the calculative method of wetting deformation proposed in this paper is reasonable and practical; the wetting deformation of upstream rockfill materials would cause an adverse deformation trend, which may lead to crack occurrence at the upstream slope and dam crest; and the Guanyinyan rockfill dam cracks on the top of junction mainly caused by the wetting deformation of upstream rockfill.