高土石坝防渗体大变形条件下应力渗流耦合特性研究

本课题以高土石坝防渗体为对象开展研究工作，拟采用自行研制改进的土工剪切渗透联合试验仪进行粘性土大剪切变形条件下渗透特性的试验研究；研制接触面渗流冲刷试验仪，研究接触面上粘土料在大剪切变形条件下的抗冲刷特性；揭示土体应力场-渗流场耦合作用机理，建立相应的数学模型，并用以模拟实际高土石坝工程中应力场与渗流场耦合作用的过程。本项目的创新点包括：研究粘土料大剪切变形条件下的渗透特性及抗冲刷特性；揭示土体应力渗流耦合作用机理；模拟高土石坝渗流冲刷破坏过程。该项目的研究成果对于揭示复杂条件下的渗流冲刷破坏机理以及合理评价高土石坝的安全性具有指导作用，因而本研究既具有理论意义又具有广阔的应用前景。 2100433B

真空预压法处理软土地基目前在交通及港口工程中广为应用，但对负压条件下土体渗流固结特性研究较少，尤其对负压条件下地下水位的测量与分析存在较大的分歧。本项目拟依托南京河西青奥新城道路软基加固工程，采用现场试验、理论分析和数值计算相结合的方法开展负压条件下软基渗流固结特性现场试验，研发一套负压加固地下水位测试技术并开展现场测试分析，揭示负压渗流场形成机理和土体固结特性。根据实测数据，考虑负压及其沿排水体衰减规律和井阻作用，建立排水体特性、超孔隙水压力和固结时间三者关系的渗流固结自由应变计算模型，得到加固范围内土体渗流固结解析解。将建立的负压渗流固结计算模型开发到岩土工程专业程序ABAQUS中，根据典型工程实例的模拟，对模型进行验证和修正，建立计算负压渗流固结特性和“0”压面位置的有限元计算方法。研究成果将丰富并创新真空预压负压加固土体渗流固结理论，为道路交通、港口码头等软基处理工程设计提供依据。

在建和拟建的高土石坝大多位于我国西部地区，该地区地震强度和发震频率高，大坝在生命周期内经受多次地震的可能性较大，一旦发生事故其后果将是灾难性的。基于此开展相关研究，为经历先期振动后的土石坝震后评估和加固提供依据。开展了堆石料受先期振动影响的静动力变形特性研究。结果表明，经历先期振动后，堆石料的静力强度基本保持不变，体积应变随着循环振次的增大而减小；再次经历相同的振动时，其轴向应变和体积应变降幅超过80%，且轴向应变降幅大于体积应变降幅；应变降幅的大小不仅与先期振动周数有关，还与堆石级配、相对密度和振动频率有关；与不均匀系数和相对密度呈线性关系；其抗变形能力的提高的主要是循环荷载下堆石料颗粒排列方式发生了变化，而不是颗粒破碎和密实度的变化。建立了考虑颗粒破碎的细观数值分析模型，开展了循环荷载下堆石料颗粒破碎数值模拟研究，研究表明：试样在竖向应力相等的条件下，随着固结应力比的增大，颗粒破碎率越大；在相同应力作用下，静力加载比动力加载时引起的颗粒破碎明显。一个循环荷载加载周期内，颗粒破碎率过程可以划分为3个区，即随着循环荷载的施加，颗粒破碎率先缓慢增加，在急剧增加后趋于平缓。随着循环周次的增加，试样内部的拉、压颗粒破碎率的变化规律基本一致，先增加，后趋于稳定。在前几个振动次数时，颗粒破碎比较严重，随着振次的增加，颗粒破碎现象趋于平缓；堆石料的残余剪应变和残余体应变的变化规律与颗粒破碎随着振动次数变化的规律基本一致。堆石料的级配越好，母岩强度越大，其受先期振动的影响越小。开展了混凝土堆石组合坝模型试验，揭示了不同振动峰值加速度下坝体的变形和破坏规律。建立了能够考虑堆石料相对密度和颗粒破碎的临界状态变量和本构模型。建立了能够反映堆石料先期振动影响的动力分析方法，开展了紫坪铺面板堆石坝震后安全稳定性评估研究。研究成果对高土石坝抗震设计与震后安全评估具有重要的理论意义和工程应用价值。 2100433B

我国西部地区正在规划建设一批高土石坝，该地区地震强度和发震频度都很高。已建和拟建土石坝在其生命周期内都有遭遇多次地震的可能性，如何评价土石坝尤其是高土石坝在经历一次或多次地震以后的抗震性能，是一个值得研究的科学问题。堆石料是土石坝的重要构成材料，了解其强度和变形特征是解决该科学问题的重要方法。本项目针对该难题，采用大型静动三轴试验系统和大型振动台模型试验系统开展先期振动对堆石料动力特性影响的试验研究，分析不同先期振动条件下，堆石料动力变形特性的变化规律，通过试验过程中堆石料颗粒破碎的测量，结合细观数值模拟分析，从细观角度揭示堆石料动力变形特性变化的机理。基于堆石料三维统一破坏准则，结合临界状态理论、边界面理论、自适应理论等，建立先期振动影响的动力本构模型，构建先期振动影响的土石坝动力响应分析方法。研究成果对高土石坝抗震设计与安全评估具有重要的理论意义和工程实用价值。