考虑结构性演化的粗粒土扰动状态概念本构模型及其试验验证

粗粒土作为土石坝的主要筑坝材料，其本构模型的合理性直接关系到土石坝应力变形预测的准确性，而粗粒土的结构性是决定其宏观力学性质的根本因素，因此建立考虑结构性影响的粗粒土本构模型一直是土力学的热点研究问题之一。本项目拟通过典型粗粒土常规三轴试验、真三轴试验和细观三轴CT试验研究，从宏细观角度诠释粗粒土变形的发生机理和内在规律，揭示粗粒土结构演化规律与变形机理，提出新的结构性参数，并将其引入结构演化变量中，建立粗粒土的结构演化方程；在此基础上借鉴已有土的扰动状态概念（DSC）理论本构模型的建模思路，深入研究扰动状态概念（DSC）中相对完整状态和完全调整状态的合理模型，结合结构演化变量，建立能考虑结构演化并能较好描述粗粒土复杂力学行为的弹塑性耦合本构模型，并通过多种试验对模型的适用性进行验证。研究成果将丰富高土石坝应力变形分析理论，为完善和发展高土石坝设计理论提供科学依据。

随着国家西部大开发计划的实施，一批高土石坝正在兴建和规划，粗粒土作为土石坝的主要筑坝材料，其本构模型的合理性直接关系到土石坝应力变形预测的准确性，因此一直是土力学的热点研究问题之一。现有高土石坝的工程实践表明，现有粗粒土本构模型不能完全合理反映其变形特性。本项目依托长江水利委员会长江科学院水利部岩土重点实验室，（1）针对世界已建最高的水布垭混凝土面板堆石坝长达8年（2003~2010年）的应力变形监测资料进行了详细的分析，揭示了坝体和混凝土面板在施工期与运行期的应力变形规律，指出现有粗粒土本构模型用于预测面板堆石坝的应力变形有待进一步改进。（2）基于长江科学院岩土三维可视化系统，采用自主研制的CT三轴仪针对典型粗粒土进行了三轴剪切试验，对粗粒土在三轴剪切过程中内部结构的变化进行了动态、定量、无损的量测，得到了土样内部结构演化的CT图像和CT数据，从细观上揭示了粗粒土在不同应力状态的变形规律与变形机理。基于CT数定义了结构性参数和结构演化变量，建立了粗粒土三轴剪切过程的结构演化方程。（3）采用长江科学院自主研制的大型土工真三轴仪典型粗粒土进行了一系列不同围压、不同应力比b条件下的真三轴试验研究，试验结果表明，中主应力比b一定时，应力-应变关系曲线的斜率和峰值强度随着固结压力的增大而增加，在低围压条件下，体变关系曲线在加载过程中表现为先剪缩后剪胀的特性，而在高围压下，整个加载过程中表现剪缩的特性；固结压力一定时，随着b值的增大，应力在峰值后的软化现象和脆性破坏特征愈加明显，体变全过程曲线表现出剪胀特征对应的固结压力越来越低，小主应变-大主应变关系曲线的斜率绝对值增大。（4）基于Desai对砂性土所建议的扰动状态概念理论，结合新建立的结构演化方程，发展了一种能考虑粗粒土结构演化的DSC本构模型；基于ABAQUS软件提供的二次开发平台，开发了本构模型的子程序，通过试验验证了所发展的本构模型可以较好地模拟粗粒土的非线性、压硬性、剪缩剪胀性等重要力学特性，并可以刻画复杂应力路径对颗粒材料应力变形的影响与结构演化过程。本项目研究成果可丰富高土石坝应力变形分析理论，为完善和发展高土石坝设计理论提供科学依据。发表学术论文8篇（EI收录5篇），获2013年度湖北省科技进步二等奖1项，获国家实用新型专利1项，获软件著作权2项，培养硕士研究生1名。