块碎石填方体工后变形机理及数值模型研究

随着我国经济的持续发展，山地及重丘地区的高速公路、铁路、机场、建筑等工程日益增多，由此出现不少大土石方量的高填方地基。山区高填方地基稳定及变形分析中的突出难点之一就是这种大粒径填方体强度及变形特性的模拟，特别是其工后变形特性的模拟。这是一个目前尚未较好解决而又有较大难度的基础性课题。本项目拟在已有研究及数据积累的基础上，综合采用理论分析、室内大吨位三轴及压缩等试验、离散元数值模拟、现场实测以及依据实测数据对模型及参数反分析识别等方法，深入研究山区常见块碎石填方体的强度及变形特性，特别是其蠕变、湿化变形及其相互耦合影响的规律，进而提出改进的、能够较好描述块碎石填方体强度及复杂变形特性的本构模型及相应的计算方法，为山区高填方地基的工后变形分析与控制提供理论支持，也对这种大粒径填方体本构模型理论的发展作出贡献。

针对山区块碎石高填方地基稳定及变形分析这一既有理论意义又有实际工程需求的课题，本项目综合采用理论分析、试验实测、数值模拟等手段进行研究。首先对典型填料，一软岩、一硬岩，进行了几种不同应力路径下的大三轴剪切试验，还进行了两种填料性质的对比，进行了风干试样与饱和试样剪切特性的对比；用大型压缩蠕变仪进行了典型填料的蠕变和反复湿化变形试验等，由此深入揭示了典型填料的力学性质。同时还尝试采用颗粒流分析软件PFC分析填料的力学性质，探索了应用颗粒力学方法对填方体力学性质进行数值模拟试验的方法及可行性，也定性得到一些对山区高填方复杂填料力学性质的认识，作为前述试验的有益补充。. 在上述试验研究的基础上，本项目针对块碎石填料力学性质的模拟提出了一种改进的本构模型，能够较好考虑其受剪过程中因颗粒破碎引起的诸多复杂性质，如剪胀性的变化、强度非线性等，还可考虑其蠕变和湿化变形以及二者的耦合。之后，将该本构模型植入有限元软件，实现了实际工程问题的计算，并通过与现场实测对比对所提出的模型及算法进行了检验，展示了其合理可行性。此外，还针对高填方地基的工后沉降计算给出有新意的简化算法，能够考虑荷载变化情况下的蠕变以及与湿化变形的耦合。对高填方地基的稳定分析，本项目也研究建议了能够考虑块碎石高填方强度非线性等复杂性质的简化分析方法以及相应的降低强度参数有限元法。. 上述成果具有不同程度的创新性。基于上述研究，本项目发表论文9篇，全部为核心期刊论文，其中6篇被EI收录。还培养博士生、硕士生多名，其中已有2名博士生和2名硕士生顺利通过答辩毕业并获相应学位。此外，在上述研究过程中，本项目一方面依托昆明新机场的高填方地基工程进行实测研究，同时也把研究成果用于该工程，检验完善所提出计算模型的同时，也为工程提供参考，取得很好的社会经济效益。正是由于上述工作，项目组综合本项目和此前所完成项目的成果与其他单位有关同行联合获2012年教育部科技进步二等奖。