动力荷载作用下堆石料尺寸效应研究

当前我国高土石坝建设正步入高峰且大部分位于西南地震活跃地区，加强高土石坝筑坝料动力特性研究尤为重要。堆石料是高土石坝建设的主要筑坝材料，动力试验过程中存在明显的尺寸效应和颗粒破碎等问题。本项目针对强震区高土石坝高应力加载条件，采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的研究方法，开展动力荷载作用下堆石料尺寸效应研究，主要内容包括：开展不同级配模拟方法、围压和固结比的大型振动三轴试验，研究尺寸效应与堆石料颗粒破碎特性和动力变形特性的关系；进行堆石料颗粒流数值模拟研究，考虑不同级配模拟方法、围压和固结比的影响，从细观角度揭示堆石料动力荷载作用下的尺寸效应机理；基于上述试验和数值模拟结果，提出堆石料常规振动三轴试验结果的修正方法，建立能够反映堆石料尺寸效应的动力本构模型，结合依托工程，采用该本构模型进行高土石坝的动力分析。研究成果对高土石坝抗震设计具有重要的理论意义和工程实用价值。

本课题在总结国内外有关堆石料尺寸效应，颗粒破碎和数值模拟的基础上，采用室内试验、数值模拟和理论分析相结合的研究方法，开展动力荷载下堆石料颗粒破碎的尺寸效应研究。在本项目的支持下，在国内外学术期刊上共发表学术论文13篇，其中SCI论文3篇，EI论文5篇，申请发明专利3项，获得软件著作权4项。取得的主要成果有：试样制备过程中引起的颗粒破碎不可忽视，随着不均匀系数的减小，曲率系数的增大，颗粒破碎越明显；颗粒破碎程度随相对密度的增大而增大，可采用分段线性函数进行表达，即试样制备过程中颗粒破碎的产生存在临界相对密度。基于Hoek等人对不同尺寸岩石试样的研究成果，建立了能够反映堆石料颗粒破碎特征和尺寸效应的细观数值模拟模型，基于该模型开展了复杂应力作用下的数值模拟研究。结果表明，随着轴向应变的增大，颗粒破碎逐渐增多，去除试样制备过程和固结过程引起的颗粒破碎，不同围压条件下的颗粒破碎率归一化后基本重合，且可以近似采用双曲线函数进行拟合。一个循环荷载加载周期内，颗粒破碎过程可以划分为三个区，即：随着循环荷载的施加，颗粒破碎率先缓慢增加，再急剧增加，最后趋于平缓。堆石料的残余变形主要是由颗粒破碎而引起的。双向振动的剪切模量和阻尼比均大于单向振动的剪切模量和阻尼比，不同加载条件下的归一化后的剪切模量和阻尼比与归一化的剪应变具有相同的变化规律。双向振动与单向振动的最大剪切模量比和最大剪应力比分别为1.35和0.98。加载过程中颗粒并不总是发生滑移，试样在一个应力循环荷载下摩擦功的变化规律可以分为四个部分。堆石料动力特性存在明显的尺寸效应，随着试样颗粒尺寸的增大，动弹性模量增大，阻尼比也在增大，基于室内试验研究成果，建立了在数值模拟过程中颗粒直径与细观剪切模量的关系，建立了能够考虑堆石料尺寸效应的动力本构模型。在广义塑性力学框架内，采用非关联流动法则，建立了粗粒土考虑颗粒破碎引起级配演变的本构模型。