高应力作用下粗粒土细观力学及坝工特性研究结题摘要

近年我国超高坝建设发展较快，对在髙应力下粗粒土力学和坝工特性的研究引起较多学者的关注。本项目在课题组前期研究的基础上，利用自主研发的试验装置及可视化细观测试分析系统，进行了室内高应力颗粒接触试验和离心机模型试验，并结合离散元数值模拟，从细观层面入手、细宏观相结合系统研究了在髙应力作用下粗粒土细观力学及坝工特性。 通过粒间接触和流变试验，揭示了粗粒土颗粒接触特性的力学机理，发现板岩和石膏的法向接触刚度值相差4倍，球-面接触试验的法向接触刚度是球-球接触试验的法向接触刚度的1.7倍。建立了弹性核尺寸与球形颗粒材料力学性质和颗粒尺寸相关的经验公式。建立了球形颗粒球-球法向接触破碎准则和石膏颗粒三点接触下颗粒破碎强度准则。建立了髙应力下粒间接触模型和流变模型，结合离散元数值模拟揭示了粒间接触细宏观力学之间的联系，实现了对颗粒内部破碎的细观过程和弹性核发展过程的观测。 通过可视大型直剪试验，揭示了粗粒土的颗粒破碎演化规律和细观力学机理。通过对大型直剪数值试验中颗粒的细观运动规律进行分析发现，在剪切过程中剪切带的形成与发展并不是严格按照上下盒之间的剪切缝展开，而是沿着向上突起的拱形滑动面发展。 通过可视离心机试验，验证了粒间接触模型和流变模型，揭示了接近实际应力场条件下粗粒土破坏的细观力学机理及与宏观力学响应之间的内在联系。通过对不同粒径大小的粗粒土坝体，在不同离心加速度下进行模型试验，发现离心加速度对于粗粒土的粒径具有明显的放大作用。 本课题从粗粒土颗粒接触角度研究颗粒破碎的力学机理，开辟了研究粗粒土颗粒破碎的新途径，不仅为髙应力下粗粒土的深入研究提供了细观力学基础，也为超高土石坝工程性能的分析提供理论依据。本项目组已获得国家实用新型专利一项，发表学术论文9篇，其中SCI、EI论文8篇。 2100433B

近年我国超高坝建设发展较快，对在髙应力下粗粒土力学和坝工特性的研究引起较多学者的关注。本项目拟采用自主研发的试验装置及可视化细观测试分析系统，利用多种试验手段和数值模拟，从细观层面入手、细宏观相结合来研究在髙应力作用下粗粒土细观力学及坝工特性：(1)通过粒间接触和流变试验，建立髙应力下粒间接触模型和流变模型，结合离散元数值模拟揭示粒间接触细宏观力学之间的联系；(2)通过可视大型直剪试验，揭示粗粒土的颗粒破碎演化规律和细观力学机理；(3)通过可视离心机试验，验证粒间接触模型和流变模型，揭示接近实际应力场条件下粗粒土破坏的细观力学机理及与宏观力学响应之间的内在联系；(4)结合实际工程，采用离散-连续混合数值方法，分析超高土石坝结构薄弱环节的细观演化规律，从细观角度揭示超高土石坝破坏过程的力学机理。本研究可为髙应力下粗粒土的深入研究提供细观力学基础，为超高土石坝工程性能的分析和评价提供理论依据。

我国西南地震带附近已建或在建了一大批高堆石坝，其中许多坝高达到了200-300m级。由于坝高、库大，一旦遭遇超强震而失事，其后果不堪设想。由于地震动作用的复杂性、堆石体材料的非连续、非均质及各向异性等使得人们对堆石体宏细观动力响应机制的认识还不够深入，关于地震动作用下的堆石体锚固作用的研究还不能满足工程实践的需求。本项目以地震动作用下堆石体的细观响应为研究主线，通过室内动三轴试验及数值模拟在宏、细观多层次上研究地震作用下堆石体锚固效应的细观机制。考虑地震动对颗粒破碎的影响，引入损伤变量建立堆石体动力本构模型；研究堆石颗粒表面细观特征对地震响应的影响，建立三维随机多面体动力接触模型；提出三维随机散粒体动力细观模型，改进现有的堆石体宏观本构模型。研究成果将有助于推动堆石体宏细观动力学发展，可为我国西部高地震烈度地区高堆石坝工程的设计、施工提供技术支撑，进一步完善高堆石坝设计理论。

目前，我国西南地震带附近已建或在建了一批200-300m级高堆石坝，因此深入认识地震作用下的堆石体锚固效应细观机制并确保大坝在极端条件下的安全稳定有重要的现实意义。本项目以地震动作用下堆石体的细观响应为研究主线，考虑了动力作用对堆石体颗粒破碎的影响，建立了堆石颗粒动力损伤本构模型。颗粒破碎对颗粒集合体的力学响应有着显著的影响，本项目一方面研究了考虑真实形状的单颗粒破碎的力学行为，并发现了颗粒形状对于破碎强度的韦伯分布影响的一般规律；另一方面，进一步对不同破碎模式带来的宏细观影响进行探究，模拟了不同破碎模式下，单轴压缩实验中颗粒集合体破碎演化过程及结果，重点探究了静水压力状态对破碎演化带来的影响，并对破碎发生的空间关系进行了分析。同时，本项目研究了堆石颗粒表面细观特征对动力响应的影响，建立了三维随机多面体颗粒动力接触模型和锚杆与堆石体相互作用动力接触模型，提出了考虑堆石体动力锚固效应的三维随机散粒体模拟方法。通过物理试验和数值分析，在宏、细观多层次上揭示动力作用下堆石体的力学响应及锚固效应作用机理；改进了现有的堆石体宏观动力本构模型，并探讨其合理性和适用性，并提出了加锚堆石体宏观力学参数的确定方法。本项目的研究成果将有助于推动堆石体宏细观动力学发展，可为我国西部高烈度地震区的200m~300m级高堆石坝建设提供重要的理论依据和技术支持，并推动相关领域设计和研究工作的发展，提高我国高堆石坝的设计和研究水平。 2100433B

随着地下工程不断向地层深处发展，对高应力水平下土层力学性质的研究需求日趋迫切，然而目前关于高应力水平下粘土的力学特性研究十分缺乏。本项目基于结合水与土骨架相互作用是高应力水平下饱和粘土力学响应的决定性影响因素的研究思想，首先对饱和粘土进行高应力水平下不同排水条件、固结路径和剪切应力路径的室内试验研究；同时结合试验结果并利用结合水与土骨架相互作用的微观理论，分析获得饱和粘土高应力水平力学特性的微观内在机理；并将该机理引入到基于离散元理论的颗粒流数值模拟程序，进行试样水平的数值试验；然后综合分析离散元数值试验结果和室内试验结果，提出与现有土力学理论相衔接的粘土高应力水平力学特性宏观机理模型；最终建立可以合理描述饱和粘土高应力水平力学特性的固结理论和本构关系，并对其展开大变形有限元模拟实现研究。