堆石混凝土材料细观力学过程及宏观综合性能研究

本项目根据堆石混凝土工程的密实性与超大骨料等工程问题提炼出的科学问题开展研究，在Bingham两相流体在复杂空隙中流动、堆石体与自密实混凝土相互耦合作用、超大粒径混凝土细观力学模拟与综合性能等领域开展了深入研究，发展了二维、三维LBM-DEM耦合模拟模拟堆石混凝土浇筑过程，揭示了浇筑过程的流动规律和堵塞机理，提出了临界阻塞条件主要依赖于自密实混凝土最大骨料粒径与堆石孔隙尺寸之比以及自密实的流动性能，从科学角度解释了堆石混凝土实际工艺参数中：1）自密实混凝土最大粒径小于20mm、堆石粒径必须大于300mm的规定有一定富裕度，可以优化以进一步降低造价；2）自密实混凝土流动性能是保障堆石混凝土密实度的关键因素，除传统的V漏斗与塌落扩展度以外，还必须加入稳定性指标。本研究发展的稳定性试验方法和指标已经进入最新编制的行业标准，本项目的研究直接促进了技术进步。本项目还采用物理试验、细观力学模拟和有限元仿真分析等综合手段研究了堆石混凝土热物理及强度等力学性能与自密实混凝土性能的关系，建立了相关公式，进入了堆石混凝土技术标准体系，为堆石混凝土高重力坝和堆石混凝土拱坝建设提供了强有力的技术与理论支撑。本项目研究成果共发表SCI论文44篇，出版1部学术专著，参与主编了3个堆石混凝土相关技术标准，主持编写了2本国际技术文件，获得8项国家发明专利授权，另有8项发明专利正在实质审查，培养了10余名博士及一批硕士，项目组成员王进廷教授获得国家自然科学基金杰出青年基金资助。本研究成果获得了教育部技术发明一等奖和国家技术发明二等奖。 2100433B

堆石混凝土是以大粒径块石组成堆石骨架，由专用自密实混凝土在重力作用下流动充填堆石体空隙而形成的完整、密实、低水化热的大体积混凝土。堆石混凝土技术由申请人团队发明，具有自主知识产权，已应用于30多个水利水电工程。近期，将逐步推广应用于百米级大坝，对堆石混凝土的综合性能和施工工艺等提出了更高要求。本项目拟采用细观力学方法，1）研究新拌自密实混凝土在堆石体空隙中的流动过程及填充机理，建立最佳施工层厚与块石粒径的对应关系以优化施工工艺；2）研究温度及多种荷载作用下，堆石体骨架与早龄期自密实混凝土的耦合作用与协调发展机制，深入认识堆石混凝土早龄期抗裂机理，以优化温控；3）分析堆石骨架与块石粒径对堆石混凝土综合性能的影响，发展检测堆石混凝土性能的高效实验手段，建立模拟堆石混凝土结构全生命期性能的数值分析模型。该项目的研究为百米级堆石混凝土大坝建设奠定理论基础。

粗骨料的随机分布造成混凝土材料的不均质性，影响裂缝扩展规律，进而改变混凝土宏观断裂特性，这在全级配大骨料混凝土中体现得尤为明显。本项目拟采用宏观断裂力学从细观层次研究裂缝扩展过程，提出以应力强度因子为参量的复合型裂缝扩展准则，以判别混凝土不同介质（砂浆、骨料及界面）在复杂应力场下裂缝扩展模式，重点研究裂缝尖端遇到骨料时产生的三种扩展路径，即裂缝穿过骨料、沿界面扩展至砂浆及沿界面扩展至骨料，以及不同扩展路径对裂缝演化、宏观断裂性能的影响。通过试验研究界面软化本构关系、细观断裂过程区形成机理，在此基础上探讨混凝土细观结构与宏观断裂能之间的关系，发展基于细观层次的虚拟裂缝粘聚力的分离裂缝模型，结合理论分析实现对裂缝起裂、稳定扩展及失稳破坏的全过程模拟。本项目提出的方法克服了宏观力学无法解释裂缝扩展规律及细观力学难以获取界面力学参数的困难，为评价全级配大骨料混凝土结构安全性提供了一个新的思路。

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

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。