胶凝砂砾石坝强震失效模式及振动台模型试验基础研究

CSG dam has a good prospect cold, high altitude west areas for its well adaptability to bad conditions, such as inconvenient transportation, backward economy and Poor environment. But the west areas are located in high intensity seismic region, the construction material features of low strength, high discreteness and the dam type characteristics with both the earth and rockfill dam and gravity dam’s make CSG dam faced with the problems of more different failure modes and incomplete evaluation standard subjected to earthquake excitation. In order to solve this problem, This project is put up for the following research: (1) statistical study on the random properties of tensile, compressive and shear strengths and the uncertainty relationship between the different strength parameters of the construction material of CSG dam; (2) study on the diversity and uncertainty characteristics of seismic failure modes based on theincomplete correlation spatial random distribution of material mechanical properties and performance-based fragility curves analysis ; (3) mesoscopic mechanics study on the diversity characteristics of construction material mechanical properties and the statistical characteristics of uncertainty relationship among different strength parameters and the study of similar material development for scaled model test on shaking table based on material mesoscopic simulation design and the structural damage behavior; (4) shaking table test research of CSG dam and the study of test results analysis methods taking into accounting the spatial distribution characteristics of model material mechanical properties。 .The research would offer reliable theoretical foundation and scientific basis for the complete evaluation index system and comprehensive seismic safety evaluation of seismic damage and failure modes with various possibilities.

对交通不便、经济落后、环境恶劣等条件有很强适应性的胶凝砂砾石坝在高寒、高海拔地区具有良好的前景。但材料强度低、性能离散性大和兼具堆石坝与重力坝特征的体型特点使胶凝砂砾石坝在强震下面临着可能失效模式多、抗震评价标准不完备的问题。本项目针对这一问题,开展以下研究:(1)筑坝材料拉、压、剪等强度参数的随机统计特性及不同强度参数之间的不确定相对关系研究;(2) 基于材料性能空间不完全相关随机分布的地震动失效模式的多样性及不确定性特征和基于性能的易损性研究;(3)筑坝材料性能离散性特征和不同强度参数不确定相对关系的细观机理及基于材料细观仿真设计和结构损伤破坏特征的振动台缩尺模型试验材料研制研究;(4) 胶凝砂砾石坝振动台模型试验及考虑模型材料参数空间分布特征的试验结果分析技术研究；为强震下胶凝砂砾石坝各种可能损伤破坏和失效模式的完备指标体系和可靠抗震安全评价提供理论基础和科学依据。

CSG坝作为一种新坝型发展时间尚短，抗震安全方面的研究尚不及其他坝型那样深入，严重制约了CSG坝在工程中的应用。针对该问题。首先，本研究基于细观力学研究了CSG材料的基本力学性质，进行了动态力学特性分析。结果表明，CSG材料的抗压和抗拉强度与应变率的对数呈线性关系。针对CSG材料抗拉强度、抗剪强度低的特点，本研究发展了一种考虑张拉裂缝影响的坝坡稳定分析方法。基于此，研究了随机地震动作用下CSG坝的张拉-剪切失效模式。结果表明强震作用下，CSG坝上游坝坡表面出现的垂直于坝面方向的拉裂缝会增加CSG坝的坝坡失稳风险。因此在CSG坝的抗震安全分析中，仅参考重力坝的裂缝长度占比等指标可能会高估其抗震安全性，应针对其可能存在张拉-剪切失效模式对其坝坡稳定性进一步分析。然后，本研究针对CSG材料参数离散性大的特点，基于随机场理论研究了CSG材料参数空间变异性对CSG坝地震动失效模式的影响，并提出了一种基于变量筛选的随机场关系模型构建方法以研究参数空间分布的影响。结果表明，CSG材料参数空间变异性对CSG坝的抗震安全评价具有重要影响，不同相关距离模型下，CSG坝地震动响应离散性会有很大不同，应在抗震分析过程中予以考虑。此外，针对实际CSG坝实际工程中非均质材料参数观测困难的问题，本研究提出了一种基于观测模态的大坝自相关距离观测方法及材料参数空间分布确定方法。最后针对CSG坝地震易损性分析效率低的问题，本研究基于概率密度演化方法提出了一种考虑多因素影响大坝抗震安全评价高效算法。综上所述，本课题针对CSG材料的自身特点，系统研究了地震动随机性及材料参数离散性对CSG坝地震失效模式的影响，基于此提出了适用于CSG坝的抗震安全评价方法，进一步完善CSG坝的抗震安全评价体系。其成果可为CSG坝实际工程的抗震安全评价提供参考依据，也可为混凝土重力坝等其他坝型的全寿命周期评价提供一定技术支持。