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粗粒料浸水湿化变形特性试验及其数值模型研究

魏松  
【摘要】:土石坝粗粒料浸水湿化变形,是目前高土石坝设计理论中的关键问题之一,但没有很好解决。本文采用改进的仪器、通过试验和理论分析及数值模拟,对该问题进行了系统深入研究。 基于目前三轴湿化变形试验仪器存在的问题,本文改进了一套可以进行保持应力不变的三轴剪切试验设备。该套设备结合了电子万能试验机和GDS液体压力控制器,同时采用计算机软件进行控制,实现了三轴剪切试验的应力控制、数据自动采集和不同应力路径试验的目的。 利用该仪器对粗粒料湿化变形特性进行了系统的试验研究。通过试验,揭示了湿化变形的基本规律;发现了湿化轴变和湿化体变之间的关系;对湿化后再加载表现出先线性后非线性变形性状从弹塑性理论的角度进行了解释;分析了湿化对抗剪强度的影响,认为湿化后土体峰值抗剪强度指标不随湿化应力水平而变且与饱和态值相等;论述了单双线法的优缺点,建议了“改进的双线法”;提出了“最大湿化应力水平”的概念,利用该概念合理解释了“在较高湿化应力水平下低围压的湿化轴变大于高围压的”的特殊现象;建议了密实粗粒料的“单线法”湿化变形经验公式,并讨论了该公式的适用性。 对湿化变形试验中影响试验结果的时间、停机变形及变形稳定标准进行了深入研究。得到了停机变形、湿化变形随历时变化的基本规律,表明:当达到一定历时后,上述两种变形与历时对数间呈线性关系。同时,停机变形不可忽略,否则,测得的湿化变形可能偏大。结合以上规律提出了达到“稳定变形阶段”时刻作为变形稳定标准,讨论了其合理性,同时建议了三轴湿化试验中停机变形和湿化变形稳定的参照标准。 结合湿化试验进行了粗粒料湿化颗粒破碎试验研究。根据干湿态颗粒破碎试验,得到了颗粒破碎基本规律,建议了归一化的颗粒破碎经验公式;基于颗粒破碎的能量分析,发现了颗粒破碎率与外力塑性功、颗粒破碎能之间近似成幂函数关系,特别是颗粒破碎能占外力塑性功的比例几乎不随应力状态而变;通过湿化颗粒破碎试验,揭示了湿化颗粒破碎基本规律,发现了其与湿化变形间有较好的相关性,从能量的角度指出了外力塑性功为湿化颗粒破碎提供了能量,特别地从颗粒破碎角度剖析了湿化变形基本规律。 基于试验和椭圆—抛物双屈服面弹塑性模型,提出了湿化变形塑性模型。该模型依据经典塑性理论,能够明确指定复杂应力状态下湿化变形的各分量。进一步验证表明,其能够很好的反映密实粗粒料湿化变形特性。 通过对土石坝湿化变形有限元方法的分析,指出了该方法中存在的问题并进行了改进。结合糯扎渡土石坝工程实例,设计了考虑不同因素的计算方案,结果表明:文中指出存在的问题和所做改进是正确的;本文提出的湿化变形塑性模型能够很好的模拟土石坝蓄水湿化变形,符合工程实际情况,这进一步验证了本文湿化塑性模型的合理性。最


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