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堆石料多尺度力学特性及流变本构模型研究

郑天亮  
【摘要】:高填方地基被广泛地应用于山区机场和土石坝的建设中,其长期变形稳定问题与地基填筑材料堆石料的物理力学特性密切相关。工程现场使用的堆石料往往颗粒尺寸较大、级配较宽且填筑不均匀。堆石料复杂的宏细观力学特性,尤其是近来备受关注的non-isotach特性,使得时间相关本构模型的开发较为困难。堆石料的室内试验多采用缩尺级配,然而对缩尺效应缺少定量研究。离散元方法被广泛用于堆石料的数值模拟,但是离散元对于工程尺度的模拟仍受限于算法和算力,如何建立堆石料宏微观力学特性之间的联系仍有待研究。本文针对堆石料的破碎特性,从细观颗粒尺度、宏观试样尺度以及工程尺度对堆石料的多尺度力学特性开展理论研究,全面考虑颗粒尺寸效应、级配缩尺效应和结构尺寸效应对高填方地基变形与稳定的影响。本文的主要研究成果如下:1、基于颗粒强度尺寸效应、多点加载破坏准则、颗粒亚临界裂纹扩展等颗粒力学基本原理和概率统计分析方法,考虑颗粒破碎分形特征和能量守恒关系,建立了预测堆石料受载过程中颗粒破碎与宏观变形的宏微观理论模型,能够预测不同级配堆石料在等向或侧限压缩过程中颗粒级配的演化和瞬时及蠕变应变,与已有试验数据对比验证了所构建理论模型的合理性。2、将上述理论模型进一步具体化,提出了破碎引起的应变增量的对数正态公式,建立了可破碎颗粒材料的侧限压缩模型,能够较好刻画堆石料的压缩变形特性,特别是体现颗粒尺寸效应、级配缩尺效应、颗粒形状、初始孔隙比等因素对堆石料压缩变形特性的影响。3、建立了能够反映颗粒材料non-isotach特性的弹粘塑性本构模型,模型基于颗粒熵理论引入“内部塑性应变率”指标,能够分析堆石料变速率加载、应力松弛和蠕变行为;对高填方边坡进行有限元模拟,发现填筑速度越快,工后变形越大;对蠕变应力路径分析,发现分级快速填筑比整体缓慢填筑工后变形大。4、将上述理论及模型用于高填筑边坡的变形分析,结合随机有限元模拟方法,验证了材料强度的离散性是高填方以往计算偏小以及“高坝算不大,低坝算不小”的结构尺寸效应的重要原因。


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