胶凝堆石坝坝料弹塑性本构模型研究

胶凝砂砾石料（胶凝堆石料）作为胶凝砂砾石坝的筑坝材料，其力学特性相关研究较少，一直是科研工作者需努力解决的问题之一。为了更系统深入地研究胶凝砂砾石料的力学特性并在此基础上提出合理的弹塑性本构模型，首先进行了不同胶凝掺量的大三轴系列试验，胶凝砂砾石料强度变形特性分析验证了胶凝掺量60kg/m3-100kg/m3的胶凝砂砾石料更适用于胶凝砂砾石坝的实际工程。随后选取胶凝掺量60kg/m3的胶凝砂砾石料试验结果，得出了胶凝砂砾石料的弹性参数，构造出适用于胶凝砂砾石料的剪切屈服面与体积屈服面方程，建立了适用于胶凝砂砾石料的弹塑性本构模型且利用多组试验结果模型计算结果进行对比，验证新的胶凝砂砾石料弹塑性本构模型的通用性与合理性。同时进行胶凝砂砾石坝离心模型试验研究。最后进行了胶凝砂砾石坝的工作性态研究。上述研究成果为胶凝砂砾石坝的推广与应用提供了参考。 2100433B

胶凝堆石坝是在总结面板堆石坝与碾压混凝土坝优点基础上发展起来的一种新坝型，具有更好的安全性和经济性，且是一种环保型的水工建筑物。该坝型在国外已得到成功应用，坝高已突破100m，国内的研究与应用起步较晚，目前仅在水库围堰工程上得到初步应用。胶凝堆石料是介于堆石料与混凝土之间的一种具有明显弹塑性性质的新材料，但由于对该坝料的应力应变规律缺乏基础研究，胶凝堆石坝在荷载作用下工作性态响应的预测结果尚不能令人满意，其设计依赖于经验，缺乏可靠依据。随着该坝型筑坝规模与高度的增加，坝体应力变形工作性态的预测分析变得更为重要，因此建立合理正确的胶凝材料应力应变本构模型成为大坝设计首要解决的基础问题。本项目拟进行胶凝材料的系统试验，经数学、力学归纳、演绎、抽象，建立胶凝堆石料合适的应力应变弹塑性本构模型，以更准确地反映胶凝堆石坝的实际工作性态，为结构设计提供依据，从而推动该坝型在我国的实质性应用.

为保护生态环境，节省工程投资，越来越多的高堆石坝利用分布广泛的软岩料筑坝。但软岩料受外部环境因素影响易造成颗粒劣化，产生显著的劣化变形，是高堆石坝长期变形的重要组成部分，不利于高堆石坝安全运行。本项目针对软岩料劣化效应及本构模型问题，通过分析劣化试验资料，开展软岩堆石料颗粒强度衰减特性和劣化变形规律研究，建立颗粒劣化模型，并基于广义塑形理论构建可合理反映颗粒劣化效应的黏弹塑性本构模型，结合高堆石坝原型观测资料分析验证本构模型的合理性；开发黏弹塑性有限元计算程序，分析环境因素作用下颗粒劣化效应对高堆石坝长期变形特性的影响，揭示高堆石坝长期变形演化规律，并提出软岩堆石料适宜布置范围。研究成果将为利用软岩料构筑的高堆石坝长期变形预测提供理论依据和技术支撑，具有重要的理论意义和工程应用价值。

软岩料受外部环境因素影响易造成颗粒劣化，产生显著的劣化变形，是高堆石坝长期变形的重要组成部分，不利于高堆石坝长期运行安全。因此，本项目针对软岩料劣化效应及本构模型问题，主要研究内容包括软岩堆石料颗粒劣化效应研究，反映颗粒劣化效应的软岩堆石料黏弹塑性本构模型构建，利用软岩堆石料构筑的高堆石坝长期变形演化规律研究。 取得的研究成果主要包括：（1）通过分析劣化试验资料，得到了颗粒劣化破碎、轴向变形和体积变形的变化规律，揭示了软岩堆石料劣化变形机制，建立了劣化变形流动准则，基于选定的颗粒强度参量，建立了软岩堆石料颗粒劣化模型；（2）构建了可统一考虑加载与劣化效应的软岩堆石料黏弹塑性本构模型，基于ABAQUS有限元软件开发了软岩堆石料黏弹塑性本构模型的UMAT子程序；（3）基于建立的本构模型分析了高堆石坝长期变形特性，揭示高堆石坝长期变形演化规律，提出了软岩堆石 料布置原则。 结合本项目的研究，共发表论文5篇，其中SCI收录2篇，已录用论文2篇；培养博士后1名，项目负责人入选第四届中国科协青年人才托举工程。 本项目的研究成果对定量预测利用软岩料构筑的高堆石坝长期变形具有重要意义，可为软岩堆石坝设计提供理论依据和技术支撑。 2100433B

《胶凝砂砾石材料力学特性、耐久性及坝型研究》总结了胶凝砂砾石的发展历程和研究现状；针对影响胶凝砂砾石材料力学特性的主要因素进行了试验研究，并分析了胶凝砂砾石材料强度随之变化的规律；研究了胶凝砂砾石材料在温度变化和冻融影响下的耐久性能；研究了胶凝砂砾石坝体剖面的变化形式和相应的控制标准；介绍了虚加弹簧法的邓肯一张模型、摩尔一库仑软化模型、弹塑性损伤模型和多线性随动强化模型及其在胶凝砂砾石坝中的应用；以线性和非线性有限元方法研究了不同坝高及边坡对胶凝砂砾石坝体应力与位移的影响；通过模型试验研究和验证了胶凝砂砾石坝体的应力分布规律；采用有限元数值分析手段研究了不同气候条件下胶凝砂砾石坝的抗冻融性能和工程措施。

《胶凝砂砾石材料力学特性、耐久性及坝型研究》可供从事胶凝砂砾石材料科研、设计与工程相关技术人员使用，也可供大专院校相关专业师生学习参考。