先期振动条件下堆石料动变形特性与破坏机理研究

A group of high earth rockfill dams are being planned to be constructed in Western China, in which the seismic intensity and frequency are high. The constructed and proposed earth rockfill dams are likely to encounter earthquakes in the life cycles. Therefore, how to evaluate the seismic safety ability of the earth rockfill dam, especially that of the high earth rockfill dam, experiencing one or more earthquakes, is a scientific problem worth studying. Rockfill material is the main construction material of earth rockfill dam. The strength and dynamic deformation properties of rockfill material should be studied which is an important method to solve the scientific problem. Aiming at the problem, the static and dynamic properties of rockfill materials are studied by using the large static and dynamic triaxial test apparatus and large shaking table test under different pre-loadings. Based on the observation of particle breakage during the experiment and meso-mechanical simulations, the static and dynamic properies of rockfill materials under pre-loading are investigated. On the basis of the rockfill material failure criterion for general geomaterials, the critical state theory, bounding surface theory and adaptation theory, a dynamic boundary surface model is established. The dynamic stability analysis method of high rockfill dam considering the influence of pre-loading can be established based on the boundary surface model. The results are of great theoretical significance and engineering practical value to seismic designing and safety assessment of high rockfill dam.

我国西部地区正在规划建设一批高土石坝，该地区地震强度和发震频度都很高。已建和拟建土石坝在其生命周期内都有遭遇多次地震的可能性，如何评价土石坝尤其是高土石坝在经历一次或多次地震以后的抗震性能，是一个值得研究的科学问题。堆石料是土石坝的重要构成材料，了解其强度和变形特征是解决该科学问题的重要方法。本项目针对该难题，采用大型静动三轴试验系统和大型振动台模型试验系统开展先期振动对堆石料动力特性影响的试验研究，分析不同先期振动条件下，堆石料动力变形特性的变化规律，通过试验过程中堆石料颗粒破碎的测量，结合细观数值模拟分析，从细观角度揭示堆石料动力变形特性变化的机理。基于堆石料三维统一破坏准则，结合临界状态理论、边界面理论、自适应理论等，建立先期振动影响的动力本构模型，构建先期振动影响的土石坝动力响应分析方法。研究成果对高土石坝抗震设计与安全评估具有重要的理论意义和工程实用价值。

在建和拟建的高土石坝大多位于我国西部地区，该地区地震强度和发震频率高，大坝在生命周期内经受多次地震的可能性较大，一旦发生事故其后果将是灾难性的。基于此开展相关研究，为经历先期振动后的土石坝震后评估和加固提供依据。开展了堆石料受先期振动影响的静动力变形特性研究。结果表明，经历先期振动后，堆石料的静力强度基本保持不变，体积应变随着循环振次的增大而减小；再次经历相同的振动时，其轴向应变和体积应变降幅超过80%，且轴向应变降幅大于体积应变降幅；应变降幅的大小不仅与先期振动周数有关，还与堆石级配、相对密度和振动频率有关；与不均匀系数和相对密度呈线性关系；其抗变形能力的提高的主要是循环荷载下堆石料颗粒排列方式发生了变化，而不是颗粒破碎和密实度的变化。建立了考虑颗粒破碎的细观数值分析模型，开展了循环荷载下堆石料颗粒破碎数值模拟研究，研究表明：试样在竖向应力相等的条件下，随着固结应力比的增大，颗粒破碎率越大；在相同应力作用下，静力加载比动力加载时引起的颗粒破碎明显。一个循环荷载加载周期内，颗粒破碎率过程可以划分为3个区，即随着循环荷载的施加，颗粒破碎率先缓慢增加，在急剧增加后趋于平缓。随着循环周次的增加，试样内部的拉、压颗粒破碎率的变化规律基本一致，先增加，后趋于稳定。在前几个振动次数时，颗粒破碎比较严重，随着振次的增加，颗粒破碎现象趋于平缓；堆石料的残余剪应变和残余体应变的变化规律与颗粒破碎随着振动次数变化的规律基本一致。堆石料的级配越好，母岩强度越大，其受先期振动的影响越小。开展了混凝土堆石组合坝模型试验，揭示了不同振动峰值加速度下坝体的变形和破坏规律。建立了能够考虑堆石料相对密度和颗粒破碎的临界状态变量和本构模型。建立了能够反映堆石料先期振动影响的动力分析方法，开展了紫坪铺面板堆石坝震后安全稳定性评估研究。研究成果对高土石坝抗震设计与震后安全评估具有重要的理论意义和工程应用价值。