基于状态相关的堆石料剪胀理论与本构模型研究

在土石坝填筑与运行过程中，坝体会产生一定的变形，导致坝体的密度也有一定程度的改变。大量的试验结果表明，密度对堆石料的剪胀特性影响很大。现有的土石坝计算分析过程中对堆石料的模拟一般采用邓肯-张模型和其它一些弹塑性本构模型，很多模型的建立都是基于经典的应力剪胀理论，几乎没有任何一个模型能同时反映堆石料的密度与应力的影响，给土石坝的计算分析带来严重的问题。.本项目拟通过大型三轴剪切试验，研究堆石料在不同围压与不同密度条件下的变形特性，总结提炼堆石料的剪胀与其应力水平和密度的关系，在此基础上建立堆石料的状态相关剪胀理论；基于状态相关剪胀理论与土的临界状态理论，建立能同时考虑堆石料应力状态与密度影响的状态相关本构模型；将该模型与ABAQUS有限元平台对接，开发出新的土石坝计算软件，为土石坝计算分析提供技术支撑。

相对于砂土和粘性土，堆石料剪切过程中的变形特性更为复杂，除了取决于所处的应力状态之外，密度、级配等因素对其变形特性影响很大，同时剪切过程中还会发生颗粒破碎，造成堆石料密度和级配的变化，进一步加剧了变形与强度的错综复杂性。目前在土石坝计算分析过程中，几乎所有堆石料本构模型都没有考虑密度、级配、颗粒破碎的影响，使得计算得到的土石坝变形与实际偏差较大。此外，绝大多数现有的堆石料本构模型都基于应力剪胀理论，没有考虑材料本身状态的影响，造成计算得到的变形与实际严重不符。. 本项目首先通过64组大型三轴排水剪切试验，研究了应力水平、颗粒密度、级配、颗粒破碎等因素对堆石料变形特性的影响。利用分形维数来表征颗粒级配曲线，建立了颗粒破碎分形维数与应力水平和初始分形维数之间关系，从而定量的描述了堆石料剪切过程中的颗粒破碎程度；在大量试验研究的基础上，探讨了堆石料的临界状态，建立了考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态方程；引入砂土状态相关剪胀概念，基于堆石料临界状态方程，建立了堆石料状态相关剪胀理论，该剪胀理论将应力水平、密度、级配、颗粒破碎等因素全部引入其中；将堆石料状态相关剪胀理论嵌入SUMDES2D有限元平台，开发了土石坝状态相关计算软件，并以河口村水库面板堆石坝工程为例，通过与南水模型、邓肯-张模型计算结果对比，验证了模型的实用性。. 随着我国国民经济的快速发展与西部大开发的战略需要，当前我国水电建设出现了前所未有的高潮。土石坝因其安全性、经济性及对复杂地质条件的良好适应性而得到设计的青睐，目前已建土石坝的高度由几十米发展到百米级、几百米级，如坝高261.5m的糯扎渡高心墙堆石坝，坝高293m的两河口电站土石坝，坝高312m的双江口电站土石坝等。坝高的不断增加给土石坝的设计计算带来新的挑战，需提出新理论和新方法来解决各种关键技术难题。本项目的研究成果使得土石坝的计算分析更加合理，具有重要的推广价值和现实意义。