土石坝堆石料的长期变形特性研究

摘要

高土石坝中的堆石料在建成后的长期变形，将对心墙、防渗墙等结构的受力变形产生重要影响。如何估计堆石坝在建成后的变形发展，就成了工程人员、研究人员十分关心的问题。堆石长期变形不仅与荷载因素有关，而且与日晒雨淋引起的干湿循环有关。天生桥、水布垭面板坝在填筑过程中均发现雨季沉降变形有明显增加，也就证明了这一点。但这一点至今尚未有人做过试验验证，也未引起学者们的普遍关注。本文基于堆石体的特性分析了影响堆石流变的主要因素，系统阐述了堆石流变的机理。通过室内试验模拟自然界同晒雨淋造成的干湿循环变化，验证了干湿循环作用对堆石体长期变形的影响，对堆石料的长期变形问题进行系统深入的研究。本文的主要研究工作包括： (1)首次通过室内试验简化模拟日晒雨淋因素造成的干湿循环作用。对不同应力状态干湿循环流变特性进行试验。验证了考虑干湿循环作用影响的必要性，定量的分析干湿循环作用对堆石体长期变形的影响。研究结果表明：荷载及干湿循环因素共同作用下，堆石流变量相当大，其中干湿循环作用引起的流变变形占流变总量的70％～80％，后期流变的衰减远小于荷载单独作用引起的流变。 (2)通过对荷载因素单独作用堆石体的流变特性的研究，分析了流变变形与应力状态、时间的规律，以双屈服面弹塑性模型为基础，建立了能够反映堆石流变特性的双屈服面流变模型。将该模型用于模拟试样流变变形的发展和堆石坝体三维有限元计算，验证了该模型的合理性和有效性。 (3)根据室内试验研究结果，揭示了干湿循环流变与循环次数发展的规律以及干湿循环流变变形与应力状态的关系，建立了可用于有限元计算的干湿循环流变模型。 (4)以水布垭为实例，结合干湿循环流变模型和现场降雨资料，研究了考虑日晒雨淋因素影响的计算方法。初次在坝体计算中实现了日晒雨淋因素对坝体长期变形影响的计算分析，研究结果表明：仅考虑荷载作用流变的情况坝体变形明显偏小，考虑日晒雨淋影响后计算结果能够很好的反映坝体的实际变形，近一步验证了本文模型的可行性。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2面板堆石坝发展历程及国内外研究现状

1.2.1面板堆石坝发展历程

1.2.2国内外研究进展及现状

1.3堆石流变特性的研究现状

1.3.1坝体实测变形及影响因素分析

1.3.2堆石流变特性研究现状

1.4问题的提出及本文主要研究工作

1.4.1目前研究中存在的问题

1.4.2本文主要研究工作

第二章堆石体流变机理及荷载作用流变试验研究

2.1堆石体流变机理分析

2.2荷载及干湿循环流变研究思路

2.3室内试验方法介绍

2.3.1试验仪器介绍

2.3.2试验材料及试样的制备

2.3.3试验方法介绍

2.4荷载作用流变试验结果及分析

2.4.1瞬时变形与流变变形的区分

2.4.2各向等压体积流变

2.4.3轴向剪应力作用下流变分量

2.4.4荷载作用堆石流变规律总结

2.5本章小结

第三章考虑荷载作用流变的双屈服面流变模型研究

3.1椭圆-抛物线双屈服面模型

3.2双屈服面流变模型的基本思路和假定

3.3堆石体流变曲线拟合

3.4流变模型公式及参数的推导

3.4.1第一屈服面相关的流变

3.4.2第二屈服面相关的流变

3.4.3弹塑性矩阵的推导

3.4.4参数的确定

3.5模型的初步验证

3.6本章小结

第四章干湿循环作用堆石流变特性及流变模型研究

4.1各向等压体积流变

4.2轴向剪应力作用下流变分量

4.2.1体积流变

4.2.2轴向及剪切流变

4.3干湿循环流变规律分析

4.4干湿循环流变模型

4.4.1干湿循环流变模型的建立

4.4.2干湿循环流变增量分量的确定

4.4.3模型参数的确定

4.5考虑荷载及日晒雨淋作用流变的有限元程序实现

4.6本章小结

第五章计入流变效应的面板堆石坝有限元模拟

5.1工程实例

5.2三维有限元计算模拟

5.2.1三维有限元网格剖分

5.2.2有限元计算模拟方案

5.2.3材料本构模型及计算参数

5.3不考虑流变的三维有限元计算分析

5.3.1邓肯模型计算分析

5.3.2椭圆—抛物线双屈服面模型计算分析

5.3.3 E-B模型和双屈服面模型计算结果比较

5.4仅考虑荷载作用流变的三维有限元计算分析

5.4.1双屈服面流变模型计算分析

5.4.2仅考虑荷载作用流变的计算结果与实测结果比较

5.5同时考虑日晒雨淋影响的三维有限元计算分析

5.5.1日晒雨淋模拟及参数的确定

5.5.2同时考虑日晒雨淋影响的计算分析

5.5.3考虑日晒雨淋影响后的计算结果与实测变形比较

5.6本章小结

第六章总结与展望

6.1总结

6.2创新点

6.3展望

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文

攻读博士期间参与的主要科研项目

致谢