高土石坝心墙多场耦合演化规律项目摘要

目前多座高心墙土石坝在建设和运行过程中实测的心墙应力、变形和超静孔隙水压力及其变化过程与计算值相差较大。这些现象根据已有的理论和方法难以解释和模拟。本课题拟利用改进的三轴剪切渗流试验设备，研究非饱和压实粘性土在复杂条件下的渗透特性和力学特性的变化特点；分析多种因素影响的内在机理，建立相应的本构模型并开发实用的模拟方法；揭示心墙内物态场、应力场、变形场、渗流场等的耦合演化规律，并应用于实际工程进行检验。本项目是在高土石坝工程实践中凝练出的课题，创新点明确，研究成果对于揭示复杂应力条件下心墙多场耦合演化机理、优化设计方案以及合理评价高土石坝的安全性具有指导作用，因而本研究既具有较大的理论意义又具有广阔的应用前景。

心墙堆石坝是水利水电工程中优先采用的一种坝型。随着坝高的增加，大坝所表现出的行为与低坝有很大差异。多座高心墙土石坝在建设和运行过程中实测的心墙应力、变形和超静孔隙水压力及其变化过程与计算值相差较大。这些现象根据已有的理论和方法难以解释和模拟。本课题利用多种试验设备，研究了非饱和压实黏性土在复杂条件下的渗透特性和力学特性的变化特点；分析了多种因素影响的内在机理，建立相应的本构模型并开发了实用的模拟方法和计算程序；根据计算揭示了心墙内物态场、应力场、变形场、渗流场等的耦合演化规律，并应用于实际工程进行检验。本项目是在高土石坝工程实践中凝练出的课题，创新点明确，研究成果对于揭示复杂应力条件下心墙多场耦合演化机理、优化设计方案以及合理评价高土石坝的安全性具有指导作用，因而本研究既具有较大的理论意义又具有广阔的应用前景。 2100433B

根据金属应力腐蚀理论，应力状态下的钢筋在一定腐蚀环境中将表现出多场耦合行为，其锈蚀特性较单一环境因素作用时不同。本项目采用多因素耦合与多尺度分析的理念，研究钢筋在环境-应力耦合作用下的锈蚀特征及演化规律。首先将不同环境因素与拉应力相耦合，正确模拟混凝土内钢筋锈蚀过程的实际工况，从微-细-宏观尺度对不同条件下钢筋的锈蚀特征进行系统研究；其次将分形理论与定量体视学相结合，探求不同腐蚀条件下钢筋不均匀锈蚀的定量表征指标，基于粗糙表面分形模拟技术及时间序列方法，实现钢筋锈蚀过程中表面形貌演化过程的数值模拟；最后结合损伤力学与分形理论，提出一种兼顾钢筋不均匀锈蚀损伤细观特征描述与宏观损伤力学分析需要的分形损伤变量，建立宏-细观结合的钢筋锈蚀损伤演化方程与内蕴损伤变量的本构关系，为混凝土结构耐久性评估、寿命预测及数值模拟提供理论指导。

强震时，高土石坝顶部易出现心墙动强度不足问题。解决这一问题的有效方法是顶部心墙也采用掺砾土料。掺砾提高了心墙料的动强度，改善了心墙静应力状态，减少了其发生水力劈裂的可能性，也有阻止裂缝发展和便于施工等优点。但心墙掺砾提高了心墙分担地震剪应力的比例，降低了心墙适应变形的能力，增加了工程投资。目前由于心墙掺砾土料的动强度研究很少，特别是黏土握裹砾石结构的土体动力破坏机理分析严重滞后,导致实际工程中心墙顶部是否掺砾较难决策。本课题拟采用最新研制的可控围压粗粒土大型单剪仪，进行心墙掺砾土料的动强度试验，研究其大应变滞回圈的表达方式、能量耗散及增量耗散函数。然后基于热力学基本定律，讨论心墙掺砾土料的大应变变形与破坏机理，提出心墙掺砾土料的动力破坏阈值标准。该课题对推动土体动力破坏标准研究有重要意义，在土石坝抗震及公路工程中有广泛的应用前景。

强震时，高土石坝顶部易出现心墙动强度不足问题。解决这一问题的有效方法是顶部心墙也采用掺砾土料。掺砾提高了心墙料的动强度，改善了心墙静应力状态，减少了其发生水力劈裂的可能性，也有阻止裂缝发展和便于施工等优点。但心墙掺砾提高了心墙分担地震剪应力的比例，降低了心墙适应变形的能力，增加了工程投资。因此，顶部心墙是否掺砾及掺砾比例较难把握。 研究中比较了不同砾石含量土料的压实密度、渗透性能、压缩特性、抗剪强度及应力应变等工程特性。认为高心墙堆石坝土料合适的砾石含量范围宜为30%～40%，极限掺砾量不超过50%，掺砾量在20%以下效果不明显。 为了探究掺砾心墙土料的动力特性，对其分别进行静力和动力的三轴试验，研究了不同固结比、不同掺砾比例、不同循环应力比对掺砾土动强度特性的影响。试验结果表明: 动强度随固结应力比的增大先升高再降低，增大掺砾比例在一定程度上可以提高动强度，随着循环应力比增大动应变随振次增大速率变大且转折点较早出现。 运用统计方法，给出了堆石料动剪模量比衰减及阻尼比增长的平均曲线表达式。建立了反映筑坝土石料非线性和滞回性的变参数Ramberg-Osgood模型，讨论了模型参数及参考剪应变的计算方法。推导了堆石料的增量耗散函数表达式，在热力学基本定律的框架下，研究了堆石料的屈服函数，讨论了其动力变形机理和第2阈值应变。对进一步认识筑坝土石料动应力变形特性有重要意义。 Bouc-Wen模型可以模拟大应变时土体的强度和刚度退化特性。研究中讨论了大应变水平下阻尼调整的Bouc-Wen退化模型，分析了模型中各参数的物理意义及其对滞回圈的影响，探讨了Bouc-Wen土体动力模型的适用条件，采用遗传算法对Bouc-Wen土体动力模型的参数进行了辨识。构造了基于Bouc-Wen模型的耗散增量函数，结合某心墙坝工程，分析了屈服曲线的发展形态，研究了土体动力耗散特征及动力变形机理。最后基于掺砾土及反滤料动三轴循环试验，研究了Bouc-Wen模型在应力控制条件下考虑土体累积变形的动力特性等。 2100433B