粗粒土级配演化对能量转化机制的影响及本构模型研究

随着我国西部水电开发进程的发展，在金沙江、怒江、澜沧江、雅砻江、雅鲁藏布江、大渡河和黄河上游正在兴建一批高土石坝工程。随着坝高的发展，作为主要筑坝材料的粗粒土承受的荷载不断增大。并且，由于具有较低的成本，颗粒强度较低的软岩料和次堆石料在土石坝工程应用广泛。因此，高土石坝粗粒土的颗粒破碎现象十分显著，这直接导致了粗粒土的结构发生改变，使粗粒土的本构关系更加复杂。颗粒破碎影响土体的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数和流变变形。但是，目前对于粗粒土在剪切过程中的级配演化规律尚不明确。本项目采用古水玄武岩筑坝粗粒土堆石料进行了系统地颗粒破碎试验，研究了制样、固结和排水剪切过程中的颗粒级配变化。试样的颗粒级配采用筑坝堆石料的设计试验级配，排水剪切试验的固结应力最大达到2000kPa，符合实际工程中高土石坝内筑坝粗粒土堆石料的实际状态。研究结果表明，粗粒土堆石料在制样过程中会产生较为显著的颗粒破碎现象；在等向固结过程不产生颗粒破碎；低围压下（100kPa），颗粒间的翻越和滑移不受约束，土体在剪切过程中不发生明显的颗粒破碎；髙围压下（500kPa以上），颗粒间的翻越和滑移受到限制，颗粒间的咬合力显著提高，随着剪切应变的增大，土体颗粒不断发生破碎；在颗粒破碎过程，大粒径颗粒首先破碎，随着围压的增大，破碎的颗粒从大粒径逐渐向小粒径扩展，粒径在0.5mm以下颗粒含量始终随着剪应变的增大而增大，并且增长幅度随着围压的增大而增大。高围压下，土体应力和剪切变形均对颗粒破碎产生影响。相同围压下相对破碎参量Br和剪应变直接的关系可以采用双曲线公式描述。 本项目研究了在制样、固结和剪切过程中的粗粒土颗粒级配，揭示了粗粒土受力变形过程中粗粒土颗粒级配的演化规律，修正了破碎参量与剪应变的关系式。为研究粗粒土受力变形过程中的结构变化机理和能量转化机制，建立能够准确描述粗粒土本构关系的数学模型奠定了基础。 2100433B

在理论分析和试验方法等方面进行创新性研发的基础上，进行系统的粗粒土颗粒破碎试验，研究粗粒土的宏观力学特性与能量转化，揭示结构变化机理和能量转化机制。首先，建立局部破碎参量描述破碎耗能在不同粒径土颗粒间的分布，并与破碎参量相结合描述颗粒级配曲线在土体受力变形过程中的演化规律。在此基础上，改进非线性滑动摩擦系数公式、破碎耗能关系式和破碎参量关系式，描述颗粒级配、应力状态、应力路径和密实度等宏观因素对能量转化的影响，建立破碎耗能、摩擦耗能、级配曲线演化之间的联系。最后，完善粗粒土受力变形过程中的能量转化关系，描述土体在受力变形过程中荷载做功与弹性变形能、摩擦耗能、剪胀做功以及土颗粒破碎耗能之间的转换过程。以能量转化机制为基础，建立一个能够合理描述粗粒土本构关系的数学模型。

基于热力学基本定律，研究粗粒土受力变形过程中的能量耗散，并据此建立本构关系是本课题的研究目标。为此，首先研究粗粒土摩擦、剪胀及颗粒破碎的能量耗散机制，确定耗散函数；然后利用最小耗能原理，研究耗散函数的驻值条件，确定塑性应变增量方向；对耗散函数进行Legendre变换，得到耗散应力空间中的屈服函数；结合试验，比较等内参量时真实与耗散屈服应力的差别，研究迁移应力，得到真实应力空间中的屈服函数及其硬化规律；最后拟合试验结果，确定模型参数。本课题的研究，掘弃了以德鲁克公设为基础的传统塑性力学理论，具有较为严密的理论基础，对推动岩土工程学科的发展，提高高土石坝应力变形分析的精度及可靠性，具有重要的学术价值和广阔的工程应用前景。