粗粒土状态相关的颗粒破碎本构模型研究

发布时间：2019-08-15 10:13

【摘要】：300m级面板坝无建成的工程实例可供参考，因此，本构模型合理与否直接关系着300m级面板坝计算的准确度，好的本构模型可以更精确地预测大坝的应力变形，更好地指导大坝的设计和施工，为选取300m级面板坝方案提供技术支持，并为国家节省巨额工程建设投资。目前，高压力下堆石料的软化、硬化判别方法、颗粒破碎问题，均为当前研究中的热点。本文以已建成的世界上最高面板堆石坝——水布垭坝的筑坝材料为试验材料，在国家自然科学基金面上项目“300级面板坝筑坝材料的渐近状态颗粒破碎本构模型研究”资助下，进行了为期两年的轴变做到24%大变形的大三轴固结排水剪试验，得到了55个试样的高质量试验数据，限于篇幅，本文从中选择了16个衬有喷塑布的数据。在这些准确的大三轴试验数据的支撑下，对《水电水利工程土工试验规程》中的最大剪应力公式进行了重新思考和修正，提出了一个全新的破坏面法公式。以临界状态理论为依据，吸收状态参数这一创意，提出了一个新的颗粒破碎影响因子，在砂的状态相关本构模型（未考虑颗粒破碎）的基础上，发展并建立了粗粒料状态相关的颗粒破碎本构模型。论文主要研究工作和成果如下： 1）进行了水布垭坝主堆石料12个样、垫层料4个样的大型固结排水三轴试验，获得了轴变做到24%的高质量的q a和v a试验数据。试验中尝试了两层（或三层）乳胶膜内部包裹一层喷塑布的装样新方法，成功地解决了因乳胶膜层数多而导致试样扎不紧而漏水的难题，保证了高围压下试验的顺利进行，其中高围压3.5MPa试样的轴变做到了少见的30%（通常做不到），找到了试验曲线上的临界状态点。 2）在大三轴试验中首次发现，剪切阶段的试样可看做两个扣在一起的圆台。采用规程的试样中轴应力处处相等的假设，在此基础上建立了力的平衡方程，推导了最大剪应力公式。推导出的最大剪应力公式与规程中现有的公式相同，从而引发了新的思考，并为随后的破坏法新公式的提出开辟了道路。 3）研究了常三轴应力路径下堆石料的应力变形机理。首次发现了在高围压下，，规程中公式得到高压密堆石料固结排水试验的q a曲线和v a曲线的临界状态点明显不唯一，不符合《高等土力学》书中对临界状态的定义；更为重要的是：首次发现了围压1.8MPa以上的水布垭主堆石料试样，其状态参数0，属于松堆石料，其应力应变曲线应该为硬化，而按规程中公式得出的曲线却是软化。以上两个问题，说明了规程公式计算最大剪应力时存在较大误差，本文认为：其根本原因在于规程假定三轴试样不同高度处的轴应力相等的假设不合理。 4）在大三轴卸样时，首次发现了破坏面的存在，近而通过研究试样外衬喷塑布的裂缝分布规律，发现坝料三轴试样普遍存在着破坏面。首次提出试样破坏面上的最大剪应力等于圆心破坏点处微元体的大主应力减去小主应力，并据此推导出了一个破坏面法新公式。由破坏面法新公式得到的临界状态点位置唯一，应力应变曲线符合按状态参数确定的软化或硬化规律，克服了规程中公式的缺点。 5）基于高质量的堆石料颗粒破碎级配曲线，首次在硬化法则中添加了新提出的包含相对颗粒破碎率与围压的影响因子，并引进了砂的状态相关的修正罗维剪胀方程以用于堆石料，建立了高压密堆石料状态相关的颗粒破碎本构模型。新模型对试验曲线预测的准确性好。与检索到的、仅有的两篇关于堆石料状态相关的颗粒破碎的本构模型的文章上的成果比较，新模型的预测准确性明显优于现有模型。
【图文】：

三轴压缩,堆石料,剪胀特性,砂土

程为:力比，＝q/p，q 为偏应力， p 为平均主应pv 为塑性体应变增量，pdd 为塑性剪应变增量态（例如它的密度）与应力状态相对应，故其关系，能很好描述黏土的剪胀性。及堆石料这样的粗粒土，其剪胀特性不仅取决和堆石料的密度与当前的应力状态不存在一一砂和堆石料是不适用的。有不同密度砂土试样的三轴压缩不排水试验结 1 中虚线代表临界状态应力比，它与松砂中密、C 三点。A 点孔隙压力为正，表现为剪缩特剪胀特性。这说明对同一种砂土，当砂土的密一对应的关系，尚需建立剪胀与应力比、密度pvpddd Md

样图,电液伺服,微机控制,静态

(a) 装样 (b) 卸样图 2.1 1500kN 微机控制电液伺服静态三轴试验机样尺寸为直径 300 毫米，高 600 毫米的圆柱体。仪器最大轴向静出力 1500kN向行程为 250mm，力值及位移测量精度均为 1%，分辨率 0.1%。设定的最大4MPa。该仪器为全自动试验仪器，它将电子、传感器、机械、计算机技术以及制系统集于一身，能够由软件控制完成常规三轴试验，软件界面见图 2.2。
【学位授予单位】：三峡大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TV641

【参考文献】