基于连续-离散耦合分析方法的堆石体缩尺效应研究

Over the past decades, many rockfill dams higher than 200m or up to 300m have been built or in building. The problems encountered in finished rockfill dams indicate that the mechanical behavior and microscopic mechanism of rockfills have not been fully understood, the fundamental theory of the work behavior and safety control of rockfill dams is insufficient. The deformation control of high rockfill dams is one of the key problems in design, and the recent development in ultra-high rockfill dams have provoked the need for more accurate evaluation of the mechanical properties of large size prototype materials. Testing of large size rockfills requires experiment apparatus of unacceptable dimensions. Therefore, the size of the rockfills for testing should be scaled down using the modeling techniques. A large body of experimental work show that the scaled samples with reduced sizes, although geometrically similar, do not behave the same mechanical response. This indicates a dependency of rockfill’s mechanical responses on sample’s size, which is called the scaling effect. This work provides a detailed modeling approach for numerical simulations of rockfills using a combined FDEM. To validate this approach, numerical simulations of the triaxial compression test have been compared with experimental results. Findings in this research could be of great significance for the development of macro-mesoscopic mechanics of rockfills, the construction practice of high rockfill dams over 300m, and finally improve the research and design ability of high rockfill dams in China.

我国西部正在或即将建设一批高堆石坝，但已建高堆石坝所出现的问题，表明我们对堆石体的力学性质和变形机理、高堆石坝的工作性态和安全控制等基础理论研究不足。高堆石坝安全性的关键问题之一是坝体变形控制，而变形控制的基础是对原级配堆石体力学性质的准确把握。受试验条件的限制，必须对原级配堆石体进行缩尺处理，但缩尺会改变堆石体的结构特征，进而改变其力学性质，因此迫切需要加强堆石体缩尺效应的产生机理和堆石体强度变形参数的确定方法研究。本项目以考虑真实颗粒形状和颗粒破碎的三维连续-离散耦合分析方法为研究手段，以缩尺效应的产生机理为核心，通过细观数值试验研究缩尺效应的影响因素和规律，通过室内三轴剪切试验验证缩尺效应机理的合理性，并提出由数值试验、室内试验和现场碾压试验相结合的堆石体参数确定方法。研究成果将为300m级高堆石坝建设提供重要的理论依据和技术支持，推动我国高堆石坝设计和研究水平的提高。

我国西部地区正在或即将建设一批调节性能好的高堆石坝，高堆石坝安全性的关键问题之一是坝体变形控制，而变形控制的基础是对原级配堆石体力学性质的准确把握。由于堆石体的缩尺效应，使得室内试验获取的参数不能准确反映现场堆石料的力学特性，迫切需要我们对缩尺效应的产生机理和原级配堆石体的力学参数取值方法进行更加深入的研究。.堆石颗粒具有形状不规则和易破碎的特点，而以刚性圆球和圆盘为基础的颗粒离散元方法在描述颗粒形状和破碎方面存在诸多不足。本项目提出了高效的堆石颗粒随机生成算法，采用不规则的凸多面体近似模拟堆石颗粒。耦合离散元和有限元的连续离散耦合分析方法将颗粒离散为有限元网格，颗粒的运动与颗粒间的接触仍采用离散元方法来模拟，在颗粒内部遍插无厚度界面单元模拟颗粒破碎。基于非连续介质力学的细观数值方法，无需复杂的本构模型，以颗粒的运动和相互接触计算为核心，能从颗粒尺度上再现堆石体的宏观力学响应，从而避开了复杂的本构关系。从细观角度分析了堆石料应力应变关系的非线性、弹塑性、剪胀性、各向异性、应力路径相关性的力学意义和主要影响因素。基于“应力-强度-组构”理论建立堆石体宏观力学特性与细观组构的内联关系，揭示了堆石体缩尺效应的细观机理。.本项目以考虑真实颗粒形状和颗粒破碎的三维连续-离散耦合分析方法为研究手段，围绕堆石体缩尺效应的产生机理，提出了由数值试验、室内试验和现场碾压试验相结合的堆石体参数确定方法。提出了与粒径相关的单颗粒强度概率统计模型，揭示了堆石体缩尺效应的产生机理。通过数值试验得到堆石体强度变形特性随试样尺寸的变化规律并外推至原级配堆石体，结合现场碾压试验验证外推强度变形参数的合理性，为定量分析堆石体的缩尺效应提供了新的有效途径。.研究成果为300m级高堆石坝建设提供重要的理论依据和技术支持，推动了我国高堆石坝设计和研究水平的提高。项目执行期间共计发表SCI检索论文20篇，EI检索论文10篇。申请国家发明专利6项（实审中）。协助培养博士研究生6名，硕士研究生10名。