《大型真三轴试验技术研发与粗粒土本构模型及工程应用》

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项目所属科学技术领域:水利工程。

中国高土石坝数量居世界之首,保证高坝大库建设与长期运行安全是国家经济和公共安全保障的重大需求。长期以来,坝工理论仍落后于工程实践,其关键技术难题在于对筑坝材料粗粒土力学特性的正确认知。因此,迫切需要研发科学合理的粗粒土力学特性试验新技术与本构模型,深入研究高土石坝应力变形规律及破坏机理。项目团队历时二十余年,在国家科技支撑、国家自然科学基金和工程科研等项目支持下,解决了能真实模拟复杂应力状态并测试土的力学性能的试验设备难题,提出了能反映粗粒土非线性、剪胀性的本构模型。成果应用于多个高土石坝工程实践,解决了工程建设中的相关技术难题。创新成果如下:

(1)突破了土工试验微摩擦加载技术难题。提出了将土工试验中土体与加载板之间的接触由整体接触变为分散式接触、滑动摩擦变为滚动摩擦的减摩方法;发明了土工常规三轴试验单向微摩擦荷载传力板和真三轴试验双向微摩擦荷载传力板。有效解决了消除土工力学试验中刚性加载板与土体间因错动产生不可测量的摩擦力关键技术难题,实现了采用刚性加载板对试验土体(试样)的精准加载。

(2)研发了大型高精度真三轴试验设备与力学试验技术。发明了大尺寸、高压力、微摩擦土工真三轴刚柔复合加载系统及按设定应力路径自动加载的测控系统,攻克了大变形条件下三维无干扰的独立智能加载、变形过程中试样形心空间位置不变及三维轴向均匀加载等关键技术难题。研制了大型高压微摩擦土工真三轴仪,填补了国内外在大型土工真三轴试验技术领域的空白。

(3)提出了实用性本构模型与土石坝变形分析方法。揭示了粗粒土真实三维应力条件下的强度与变形的变化规律;构建了能反映粗粒土非线性、剪胀性的K-K-G本构模型,并提出了相应的高土石坝数值模拟方法。

研究成果在国内外核心期刊发表论文160篇,其中SCI/EI检索80篇,获国家专利16项,其中发明专利10项,获计算机软件著作权4项;主要成果被4部国家及行业标准采纳,3项技术列入“水利部水利先进实用技术重点推广指导目录”。研究成果已在水布垭、两河口、卡洛特等国内外30多个高土石坝工程中推广应用,累积产生直接经济效益超过3.5亿元,取得显著的经济社会效益,推动了土力学与高土石坝的理论与技术的发展。

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