粗粒料的临界状态与动力本构模型研究

Shear strength, deformation modulus of the coarse-grained soil has a strong dependence on the initial stress level and density, in coarse-grained soils tests, non-negligible plastic deformation would happen during cyclic loadings. However, studies considering the impact of initial state on static and dynamic mechanical properties of the coarse-grained soils are still rare, this project intends to explore the critical state of coarse-grained soils by triaxial tests and direct shear tests, expand strength criterion of coarse-grained soils, clarify impact of initial pores ratio and stress state on stress-strain behaviors, and propose reasonable constitutive model to reflect these mechanical properties. The project intends to study dynamic properties of coarse-grained soils using dynamic triaxial tests and cyclic simple shearing tests, and adopt nested yield surface theory to simulate behaviors of coarse-grained soils under cyclic loadings. The main innovations of this study are: (1) Study the influence of stress state and density on the coarse-grained soils’ strength, quantitatively, expanding strength theory of coarse-grained soils (2) Study the impact of state parameters on coarse-grained soils’ dilatancy law, and propose dilatancy equation based on state parameter; (3) Introduce the critical state theory into dynamic nested yield surface model, to increase adaptability of the model under the complex stress paths.

粗粒土的抗剪强度、变形模量对初始压力和密实度有很强的依赖性，并且在动力复杂荷载作用下会产生不可忽略的塑性变形。目前，关于初始状态对粗粒土静、动力力学性质影响的研究尚不多见，本项目拟通过三轴剪切试验和直剪试验探究堆石料的临界状态、拓展粗粒土强度理论，明确孔隙比和应力状态对粗粒土应力应变行为的影响规律，建立可以反映孔隙比和压力依赖性的粗粒土本构模型。本项目拟通过动力三轴和单剪试验研究粗粒土在动力荷载下的塑性应变发展累积过程，在静力模型的基础上采用嵌套屈服面模拟粗粒土的循环加载行为。本研究主要创新点有：（1）通过粗粒土试验定量研究应力状态和孔隙比对粗粒土强度的影响，拓展粗粒土强度理论；（2）探究状态参数对粗粒土剪胀规律的影响，提出基于状态参数的剪胀方程；（3）将临界状态理论引进嵌套屈服面动力模型，增加模型对复杂应力路径的适应性。

粗粒土强度、模量、剪胀性对压力和密实度存在强烈的依赖性，本次研究开展了不同围压、不同初始密实度的筑坝粗粒土室内试验，研究了粗粒土临界状态方程，建立了与孔隙比和压力相关的强度准则、剪胀方程，提出了一个能够反映初始压力和孔隙比对粗粒土应力应变关系影响的本构模型，可模拟粗粒土在高密实度、低围压下的高峰值应力、强剪胀、应变软化现象以及低密实度、高围压下的低峰值应力、弱剪胀、应变硬化现象。目前用于土石坝地震响应分析的筑坝料动力模型仍以粘弹性模型为主，其缺陷在于不适用于强震期的大应变范围，亦不能描述大坝震损发展过程，弹塑性模型可克服传统的粘弹性模型的缺陷。本次研究基于广义塑性基本理论框架提出了筑坝堆石料静、动统一的广义塑性模型，依据室内静动三轴试验验证了模型的适应性；基于自主研发的TOSS3D总应力法以及EFESD3有效应力法有限元程序实现了高土石坝三维静、动力弹塑性分析。由于弹塑性动力分析迭代计算耗时长、占用内存大，本次研究设计了高效的有效元素压缩存取算法，极大提高了计算机内存使用效率，并对有限元程序进行了并行改造，使得计算效率大幅提升，为大规模自由度计算和动力弹塑性分析提供了有力工具。项目创新点在于：1）结合室内试验成果，引入了临界状态理论，建立了可反映初始压力和孔隙比影响的粗粒土本构模型；2）基于广义塑性模型实现了高土石坝三维静、动力弹塑性分析，对比研究了传统的等价粘弹性方法与弹塑性方法计算结果的差异，研究结论可为高土石坝结构安全评估提供更可靠依据。