基于延时颗粒破碎的堆石料流变特性与本构模型研究

It is widely accepted that the macroscopic behavior of granular materials is strongly influenced by the strengths of the constituent grains, but in mechanical behavior of rockfill materials the grain strength has not been dealt with. In this project, an experiment in laboratory will be carried out to study the strengths and time-dependent behavior of rockfill grains. For explaining rheologic mechanism of the rockfill material, a relationship will be built between the macroscopic creep properties, the strengths and crushing time of constituent grains. Taking particle crushing as a key parameter, loading geometry, crushing condition of different size grains and energy dissipation of rockfill material will be studied. Using energy equation in rheological process of the rockfill materials, a transition relation of rheological deformation will be built between simples with different size. Large triaxial creep tests and one-dimensional compression creep tests will be carried out, to studying evaluative equation of the fractal dimension for grading curves of the rockfill materials. In stress space, vector graph of the creep will be plotted, and rheological potential surface will be determined. Base on the energy equation of the rheological process of the rockfill materials, the yield and hardening function will be obtained, and a rheological model of rockfill materials will be built. In order to design some engineering measures for avoiding harm of dam creep, a rheological threshold stress of rockfill materials will be studied and a rheological region in dam will be indicated.

颗粒材料的宏观力学行为强烈依赖于颗粒强度，但目前堆石料的变形研究还没有涉及颗粒强度。本课题拟开展堆石料颗粒强度与颗粒流变破碎试验研究，建立堆石料宏观流变变形与颗粒强度和颗粒破碎时间的关系，进而深入研究堆石料流变变形机理，解释室内堆石料流变试验过快稳定而实际堆石坝流变持续十数年的关键科学问题。以颗粒破碎为纽带，利用大小颗粒的强度及流变破碎时间不同的特点，研究不同尺寸试样颗粒的受力、破碎及耗能，通过流变能量方程，实现不同尺寸试样流变变形的变换，解决流变变形的缩尺效应问题。进行堆石料三轴流变试验和一维压缩流变试验，研究流变试验中颗粒级配分形维数及其演变方程。在应力空间中绘制流变矢量图形，确定流变势函数。研究堆石料流变的能量耗散，推导流变屈服函数与硬化函数，建立堆石料流变本构模型。研究堆石料流变阈值应力，分析坝体内发生流变应变的区域，提出防止堆石料流变危害的工程措施。

由于堆石料流变，使土石坝后期变形持续增长，变形稳定时间长达几年甚至十余年，给坝体变形控制造成了困难。而坝体的流变变形将极大地影响坝体渗透系统的安全性，因此堆石料流变变形研究有重要的工程实际意义。.堆石料为岩石颗粒组成的散粒体材料，岩石颗粒特别是硬岩颗粒，其本身变形对堆石料宏观变形的影响较小，堆石料的变形主要由颗粒破碎引发的颗粒滑移、相互填充以及结构变化引起。因此堆石料变形中颗粒破碎的模拟是问题的关键。为此，开展了堆石颗粒的单粒破碎强度及其延迟破碎强度的试验研究，堆石料受力变形过程中级配演化研究，给出了堆石料试样颗粒破碎参量与试样宏观变形之间的几何关系，以及不同尺寸堆石料宏观变形模型及其参数的研究。主要的研究成果有，堆石料颗粒强度服从Weibull分布，颗粒破碎后的粒径级配曲线服从分形分布，堆石料颗粒强度具有明显的尺寸效应。堆石料颗粒的延迟破碎强度服从负指数衰减规律，颗粒延迟破碎的阈值强度为岩石颗粒的长期强度。采用数值试样模拟三轴试验过程，根据颗粒破碎的概率公式，得到发生破碎的颗粒质量，采用分形矩阵进行破碎质量的各粒组分配，即可求得级配曲线，模拟级配演化过程。计算破碎参量，建立破碎参量与堆石料宏观变形的几何关系表达式。进行缩尺料三轴试验及流变试验，与数字试验的模拟结果比较，验证上述方法的正确性，标定以破碎为关键参量的模型参数。建立堆石料足尺试样，进行足尺试样的三轴试验模拟，得到应力应变关系、流变模型参数等。.当前堆石料流变理论还不能很好地解释一个现象，即室内缩尺堆石料的流变试验过快稳定，而现场实际坝体变形长期不稳定。通过将堆石颗粒的延迟破碎强度引入现场足尺堆石料流变数值试样的模拟中，可很好地解释这一现象。