考虑颗粒破碎的堆石料级配演化和变形特性研究

摘要

土石坝具有就地取材方便，造价低，地基适应性强等特点，在水电开发中得到了广泛的应用。随着筑坝技术的不断发展，土石坝的坝高也在不断的增加。在高土石坝内，堆石颗粒在较高的应力作用下，会发生显著的颗粒破碎现象。颗粒破碎改变了堆石料的级配与力学特性，造成堆石坝体的沉降和体积变形，导致面板堆石坝出现面板脱空，进而致使面板产生挤压、破碎和开裂，严重危害大坝的防渗安全。
　　传统上，堆石料的力学特性一般通过室内三轴试验进行测定。由于测试条件的限制，试验过程中堆石料的级配曲线无法进行实时量测，堆石料的颗粒破碎对其力学特性的影响也难以得到深入的研究。同时，由于试验仪器尺寸的限制，直接基于现场级配的堆石料三轴试验无法进行。目前试验堆石料只能通过对现场堆石料进行级配缩尺得到，而基于缩尺堆石料三轴试验得到的模型参数来进行有限元计算，其分析结果和实际的观测值相差较大，直接影响工程安全性的判定。
　　针对以上问题，本文对古水玄武岩堆石料的细观单粒和现场堆石料的破碎和变形特性展开了研究，主要研究内容如下:
　　(1)对古水玄武岩堆石料进行了单粒强度试验，测定了不同粒组颗粒的单粒强度，并对试验后破碎的颗粒进行了筛分。试验后发现:同一粒组颗粒的强度服从Weibull分布，破碎后新形成的颗粒粒径服从分形分布;随着粒径的增大，颗粒强度降低，堆石颗粒强度有明显的尺寸效应。
　　(2)在堆石料三轴试验的数值模拟中，提出了一种预测三轴剪切过程中堆石料级配演化的方法。通过引入颗粒强度的尺寸效应公式，可模拟现场堆石料足尺试样加载过程中的级配演化。通过与均一级配和非均一级配条件下，堆石料的三轴试验结果进行对比，验证了颗粒破碎模拟的有效性。
　　(3)通过构建堆石料的颗粒破碎参量与试样变形的关系，实现了堆石料受力-颗粒破碎-级配演变-试样变形的仿真模拟，提出了堆石料力学试验的数值仿真模拟方法。通过模拟三轴加载条件下试验级配缩尺试样和现场级配足尺试样的变形，并与室内试验对比，验证了模拟方法的有效性。最后，讨论了堆石料级配缩尺对于邓肯-张模型参数的影响。
　　(4)在堆石料受力变形的数值模拟中，引入岩石颗粒的延迟破坏强度公式，提出了堆石料流变的数值模拟方法。对堆石料的单轴蠕变试验和三轴蠕变试验进行了模拟，通过与室内试验结果对比，验证了延迟破碎模型和模拟方法的有效性。
　　(5)对细观力学解析模型进行了扩展，使得模型可以较好地模拟应力路径试验中堆石料的变形特性。通过考虑平均主应力对于颗粒刚度的影响，使得模型可以较好地反映加卸载过程中试样的变形。通过考虑应力转折过程中，转折围压对于剪胀角的影响，使得模型可以较好地反映试样的剪胀特性。最后通过和试验结果对比，验证了堆石料细观力学解析模型的有效性。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 堆石料的力学特性

1．2．1 堆石料的级配缩尺效应

1．2．2 堆石料的破碎特性

1．2．3 堆石料的流变特性

1．3 粗粒土单粒的力学特性

1．3．1 颗粒的强度和破碎特性

1．3．2 颗粒强度对于粗粒土力学特性的影响

1．3．3 考虑细观单粒特性的粗粒土本构模型

1．4 本文主要研究内容

2 堆石料单粒强度试验

2．1 引言

2．2 试验堆石料的基本力学特性

2．3 单粒强度试验过程

2．4 堆石料单粒强度的概率统计

2．4．1 Weibull分布理论

2．4．2 堆石颗粒强度的Weibull分布

2．4．3 颗粒强度的尺寸效应

2．5 堆石料颗粒的破碎模式

2．6 本章小结

3 考虑单粒强度的堆石料级配演化

3．1 引言

3．2 三轴试样中颗粒破碎的影响因素

3．3 三轴剪切过程中的堆石料级配演化

3．3．1 缩尺级配演化的推求

3．3．2 足尺级配演化的推求

3．4 试验验证

3．4．1 均一级配堆石料的三轴试验

3．4．2 均一级配堆石料的数值模拟

3．4．3 非均一级配堆石料的三轴试验

3．4．4 非均一级配堆石料的数值模拟

3．5 本章小结

4 现场足尺堆石料变形特性研究

4．1 引言

4．2 尺寸效应

4．2．1 堆石料的缩尺效应

4．3 堆石料的变形计算

4．3．1 试样变形和破碎参量的关系

4．4 缩尺试样变形的数值模拟

4．5 足尺试样变形的数值模拟

4．5．1 强度分析

4．5．2 缩尺效应对于邓肯-张参数的影响分析

4．6 本章小结

5 考虑单粒延迟破坏强度的堆石料蠕变特性研究

5．1 引言

5．2 岩石的延迟破坏强度

5．2．1 岩石的延迟破坏强度公式

5．2．2 堆石颗粒的延迟破坏强度试验

5．3 堆石料单轴蠕变特性研究

5．3．1 试样蠕变变形和颗粒强度的关系

5．3．2 堆石料单轴蠕变试验

5．3．3 模型验证

5．4 堆石料三轴蠕变特性研究

5．4．1 三轴蠕变条件下堆石料蠕变的计算过程

5．4．2 三轴蠕变试验

5．4．3 模型验证

5．5 本章小结

6 考虑应力路径影响的堆石料细观力学解析模型

6．1 引言

6．2 堆石料应力路径试验

6．3 本构模型

6．3．1 坐标和定义

6．3．2 接触颗粒的弹性变形

6．3．3 接触颗粒的塑性变形

6．3．4 细观和宏观的对应关系

6．4 考虑应力路径影响的模型改进

6．4．1 接触面上细观颗粒剪胀的演化

6．4．2 与邓肯-张模型的对比分析

6．5 模型验证

6．6 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介