地震作用下堆石体锚固效应细观机制研究

Many rockfill dams have been built or are being built near seismic belts in the southwest of China, the height of the most dams has reached the level of 200-300 meters. When a strong earthquake occurred, the consequences of dam-breach would be unthinkable. However, due to the complexity of seismic action and the discreteness, heterogeneity and anisotropy of rockfill material, the macro-mesoscopic dynamic response mechanism of this material is not clear yet. And the available currently study on the rockfill anchoring effect under earthquake can not meet the requirements of engineering practice.The micro response of rockfill material under earthquake is the main focus.The mesoscopic mechanism of rockfill anchoring effect under earthquake will be studied by the indoor dynamic triaxial tests and numerical simulation through macro and micro level.Considering the dynamic influence of particles breakage, dynamic constitutive model of rockfill material will be built by introducing damage variable. The effect of surface microstructure characteristics on seismic response of rockfill will be studied,and the dynamic contact model of three dimensional random granular will be built. The dynamic mesoscopic model of three-dimensional stochastic granular material will be developed. The existing macroscopic constitutive model of rockfill will be modified. Findings in this research could be of great significance for the development of macro-mesoscopic dynamic mechanics of rockfill material, provide technical support for the design and construction of the rockfill dam in the high seismic intensity area in the west of China. The design theory of high rockfill dams will be further improved.

我国西南地震带附近已建或在建了一大批高堆石坝，其中许多坝高达到了200-300m级。由于坝高、库大，一旦遭遇超强震而失事，其后果不堪设想。由于地震动作用的复杂性、堆石体材料的非连续、非均质及各向异性等使得人们对堆石体宏细观动力响应机制的认识还不够深入，关于地震动作用下的堆石体锚固作用的研究还不能满足工程实践的需求。本项目以地震动作用下堆石体的细观响应为研究主线，通过室内动三轴试验及数值模拟在宏、细观多层次上研究地震作用下堆石体锚固效应的细观机制。考虑地震动对颗粒破碎的影响，引入损伤变量建立堆石体动力本构模型；研究堆石颗粒表面细观特征对地震响应的影响，建立三维随机多面体动力接触模型；提出三维随机散粒体动力细观模型，改进现有的堆石体宏观本构模型。研究成果将有助于推动堆石体宏细观动力学发展，可为我国西部高地震烈度地区高堆石坝工程的设计、施工提供技术支撑，进一步完善高堆石坝设计理论。

目前，我国西南地震带附近已建或在建了一批200-300m级高堆石坝，因此深入认识地震作用下的堆石体锚固效应细观机制并确保大坝在极端条件下的安全稳定有重要的现实意义。本项目以地震动作用下堆石体的细观响应为研究主线，考虑了动力作用对堆石体颗粒破碎的影响，建立了堆石颗粒动力损伤本构模型。颗粒破碎对颗粒集合体的力学响应有着显著的影响，本项目一方面研究了考虑真实形状的单颗粒破碎的力学行为，并发现了颗粒形状对于破碎强度的韦伯分布影响的一般规律；另一方面，进一步对不同破碎模式带来的宏细观影响进行探究，模拟了不同破碎模式下，单轴压缩实验中颗粒集合体破碎演化过程及结果，重点探究了静水压力状态对破碎演化带来的影响，并对破碎发生的空间关系进行了分析。同时，本项目研究了堆石颗粒表面细观特征对动力响应的影响，建立了三维随机多面体颗粒动力接触模型和锚杆与堆石体相互作用动力接触模型，提出了考虑堆石体动力锚固效应的三维随机散粒体模拟方法。通过物理试验和数值分析，在宏、细观多层次上揭示动力作用下堆石体的力学响应及锚固效应作用机理；改进了现有的堆石体宏观动力本构模型，并探讨其合理性和适用性，并提出了加锚堆石体宏观力学参数的确定方法。本项目的研究成果将有助于推动堆石体宏细观动力学发展，可为我国西部高烈度地震区的200m~300m级高堆石坝建设提供重要的理论依据和技术支持，并推动相关领域设计和研究工作的发展，提高我国高堆石坝的设计和研究水平。