粗粒料颗粒破碎和缩尺效应相互影响机理研究

Scale effect is one of difficulties of high-dam construction techniques. To make up the limitation of physical tests, we will develop a new numerical test technique which is suitable to study scale effect. The technique can allow large particles, high confining pressure and complicated loading pathes and consider factors such as particle breakage, particle shape and so on. Firstly, we will summarize the laws of scale effect and discuss the mechanism further. Then, we will study the scale effect in small-size scope by physical tests and numerical tests. Based on this, we will study the scale effect in large-size scope by numerical tests. We set two opposite conditions which are considering particle breakage and not considering particle breakage to study the effect of particle breakage on scale effect. Finally, we will study the back action of scale effect on particle breakage. Based on the above results, we will discuss the mechanism of scale effect in detail. The achievements can support the more accurate evaluation of engineering properties of coarse-grained materials and the more accurate prediction of stress and deformation of high dams. As a result, it will promote the development of high-dam construction techniques.

缩尺效应是高坝关键筑坝技术的难点之一。为弥补缩尺效应研究中物理试验的不足，特开发适用于缩尺效应研究的数值试验技术。该技术能够实现大尺寸、高围压及复杂路径的加载，且可以考虑颗粒破碎和颗粒形状等因素。首先，对缩尺效应的规律进行系统总结，并对其机理进行初步探讨。之后，同时采用物理试验和数值试验对粗粒料小尺寸范围的缩尺效应进行研究。在此基础上，采用数值试验进行粗粒料大尺寸颗粒破碎和缩尺效应问题研究。设置不考虑颗粒破碎和考虑颗粒破碎两种对比试验条件，重点研究颗粒破碎对缩尺效应的影响机理。同时，研究缩尺效应对颗粒破碎的反作用，即颗粒破碎在不同粒径范围和不同缩尺方法下的表现规律。结合以上研究，对堆石坝缩尺效应机理进行进一步探讨。本项目研究成果将对高坝中筑坝材料工程特性的准确评价及坝体应力变形预测提供支撑，从而促进高坝关键筑坝技术的发展。

缩尺效应是高土石坝应力变形控制中的难点之一，级配、颗粒形状、制样标准、压实方式、颗粒破碎等均对其有较大影响。其中，颗粒破碎是堆石料工程特性中一个十分显著的特征，需引起重视。本课题首先从抗剪强度、变形特性、密实度等三个方面系统总结了缩尺效应在土石坝中的规律，并对影响因素进行了较全面地分析。在此基础上，引入分形理论描述堆石料级配，以分形维数和颗粒最大粒径作为级配控制参数，设计了最大粒径分别为20mm、40mm和60mm，分形维数分别为2.3、2.5、2.6、2.7，共12组级配，采用同一相对密度制样标准，进行了大三轴压缩试验。系统分析了堆石料的应力应变行为，进一步研究了邓肯E-B模型参数和抗剪强度参数变化规律。对试验后堆石料重新进行了级配分析，采用3种方法统计了颗粒破碎情况，初步得到了颗粒破碎缩尺效应规律。建立了一套基于DEM的能够反映粗粒料颗粒破碎效应和缩尺效应的数值模拟技术，并通过物理试验验证了其有效性和合理性，从而弥补了物理试验的不足，完善了粗粒料缩尺效应研究方法。在物理试验基础上，进一步研究了细观参数、加载速率、颗粒形状、围压等对颗粒破碎的影响规律。本课题首次对破碎破碎和缩尺效应相互影响机理进行研究，研究成果对深入认识土石坝缩尺效应机理、如何减弱缩尺效应等具有较强的参考价值，一定程度上推动了缩尺效应问题的研究进展，为高土石坝、超高土石坝建设提供了技术支持。