粗粒土狀態(tài)相關(guān)的顆粒破碎本構(gòu)模型研究.pdf

1、300m級面板壩無建成的工程實(shí)例可供參考,因此,本構(gòu)模型合理與否直接關(guān)系著300m級面板壩計(jì)算的準(zhǔn)確度,好的本構(gòu)模型可以更精確地預(yù)測大壩的應(yīng)力變形,更好地指導(dǎo)大壩的設(shè)計(jì)和施工,為選取300m級面板壩方案提供技術(shù)支持,并為國家節(jié)省巨額工程建設(shè)投資。目前,高壓力下堆石料的軟化、硬化判別方法、顆粒破碎問題,均為當(dāng)前研究中的熱點(diǎn)。
　　本文以已建成的世界上最高面板堆石壩——水布埡壩的筑壩材料為試驗(yàn)材料,在國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“300級

2、面板壩筑壩材料的漸近狀態(tài)顆粒破碎本構(gòu)模型研究”資助下,進(jìn)行了為期兩年的軸變做到24％大變形的大三軸固結(jié)排水剪試驗(yàn),得到了55個(gè)試樣的高質(zhì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù),限于篇幅,本文從中選擇了16個(gè)襯有噴塑布的數(shù)據(jù)。在這些準(zhǔn)確的大三軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支撐下,對《水電水利工程土工試驗(yàn)規(guī)程》中的最大剪應(yīng)力公式進(jìn)行了重新思考和修正,提出了一個(gè)全新的破壞面法公式。以臨界狀態(tài)理論為依據(jù),吸收狀態(tài)參數(shù)這一創(chuàng)意,提出了一個(gè)新的顆粒破碎影響因子,在砂的狀態(tài)相關(guān)本構(gòu)模型(未考慮顆

3、粒破碎)的基礎(chǔ)上,發(fā)展并建立了粗粒料狀態(tài)相關(guān)的顆粒破碎本構(gòu)模型。
　　論文主要研究工作和成果如下:
　　1)進(jìn)行了水布埡壩主堆石料12個(gè)樣、墊層料4個(gè)樣的大型固結(jié)排水三軸試驗(yàn),獲得了軸變做到24%的高質(zhì)量的 aq-e和 v ae-e試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中嘗試了兩層(或三層)乳膠膜內(nèi)部包裹一層噴塑布的裝樣新方法,成功地解決了因乳膠膜層數(shù)多而導(dǎo)致試樣扎不緊而漏水的難題,保證了高圍壓下試驗(yàn)的順利進(jìn)行,其中高圍壓3.5MPa試樣的軸變做到

4、了少見的30%(通常做不到),找到了試驗(yàn)曲線上的臨界狀態(tài)點(diǎn)。
　　2)在大三軸試驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn),剪切階段的試樣可看做兩個(gè)扣在一起的圓臺(tái)。采用規(guī)程的試樣中軸應(yīng)力處處相等的假設(shè),在此基礎(chǔ)上建立了力的平衡方程,推導(dǎo)了最大剪應(yīng)力公式。推導(dǎo)出的最大剪應(yīng)力公式與規(guī)程中現(xiàn)有的公式相同,從而引發(fā)了新的思考,并為隨后的破壞法新公式的提出開辟了道路。
　　3)研究了常三軸應(yīng)力路徑下堆石料的應(yīng)力變形機(jī)理。首次發(fā)現(xiàn)了在高圍壓下,規(guī)程中公式得到高壓密堆

5、石料固結(jié)排水試驗(yàn)的 aq-e曲線和 v ae-e曲線的臨界狀態(tài)點(diǎn)明顯不唯一,不符合《高等土力學(xué)》書中對臨界狀態(tài)的定義;更為重要的是:首次發(fā)現(xiàn)了圍壓1.8MPa以上的水布埡主堆石料試樣,其狀態(tài)參數(shù)y>0,屬于松堆石料,其應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)該為硬化,而按規(guī)程中公式得出的曲線卻是軟化。以上兩個(gè)問題,說明了規(guī)程公式計(jì)算最大剪應(yīng)力時(shí)存在較大誤差,本文認(rèn)為:其根本原因在于規(guī)程假定三軸試樣不同高度處的軸應(yīng)力相等的假設(shè)不合理。
　　4)在大三軸卸樣時(shí)

6、,首次發(fā)現(xiàn)了破壞面的存在,近而通過研究試樣外襯噴塑布的裂縫分布規(guī)律,發(fā)現(xiàn)壩料三軸試樣普遍存在著破壞面。首次提出試樣破壞面上的最大剪應(yīng)力等于圓心破壞點(diǎn)處微元體的大主應(yīng)力減去小主應(yīng)力,并據(jù)此推導(dǎo)出了一個(gè)破壞面法新公式。由破壞面法新公式得到的臨界狀態(tài)點(diǎn)位置唯一,應(yīng)力應(yīng)變曲線符合按狀態(tài)參數(shù)y確定的軟化或硬化規(guī)律,克服了規(guī)程中公式的缺點(diǎn)。
　　5)基于高質(zhì)量的堆石料顆粒破碎級配曲線,首次在硬化法則中添加了新提出的包含相對顆粒破碎率與圍壓的影