基于热力学的堆石体本构模型的研究与应用

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1、基于热力学的堆石体本构模型的研究与应用(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：王晓玥指导教师：杜丽惠副教授二○一五年五月ResearchandapplicationofathermodynamicconstitutivemodelofgranularmaterialsThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinHydraulicEngineeringb

2、yWangXiaoyueThesisSupervisor:AssociateProfessorDuLihuiMay,2015摘要摘要混凝土面板堆石坝是我国目前在建高坝中重要的一种坝型。堆石体作为坝体的主要部分，其应力变形特性的研究尤为重要。传统的土力学模型以邓肯E-B模型、清华非线性KG模型、沈珠江双屈服面模型为代表，广泛应用于实际工程计算中。这些模型虽能反映土体的部分性质，但也各有不足，比如参数太多、物理意义不明确、无法反映剪胀性、无法体现应力路径相关性、不符合热力学定律等。本文通过分析水布垭面板坝和潘口面板坝筑坝过程中应力比的变化过程，得出面

3、板堆石坝在筑坝过程中应力比基本保持常数的结论。并由此结论出发，在热力学理论前提下，由吉布斯自由能函数进行相应修正，推导出符合能量守恒的堆石料非线性弹性模型。通过颗粒物质理论的试验结果对模型中位于指数的参数范围进行分析、通过计算的分析闭合应力路径下的应力应变关系对模型能量保守进行了验证、通过等应力比路径三轴试验拟合的材料参数对室内常规三轴试验进行模拟计算并与实测结果对比，初步验证了模型的可靠性。模型改进了其他传统土力学模型的不足，符合热力学定律，能反映堆石料的非线性、压硬性、剪胀性、应力路径适应性、应力引起的各向异性、高坝适应性等主要工程性质，参数

4、少且独立、具有稳定性，且物理意义明确。利用模型计算目前世界最高的混凝土面板堆石坝233m的水布垭面板坝，在竣工和蓄水两种工况下进行E-B模型、K-G模型、四参数KG模型和本模型的三维有限元计算，并将各模型计算结果和实测资料相比，本模型结果比其他模型更加接近实测资料，由此进一步验证了模型的高坝适应性和可靠性。针对模型中的四个参数进行了敏感性分析，采用正交试验法，将每个参数分为五个等级，组成25个参数组分别进行水布垭均质坝体的三维静力计算。采取最大断面的上下游三个测点作为数据采集点，竣工工况下的水平与垂直位移作为分析的依据。结果发现，位于指数位置的n

5、敏感性最高，敏感性按照由高到低的顺序为n、G、K、m。关键词：面板堆石坝；本构模型；热力学IAbstractAbstractConcretefacedrockfilldamisanimportantdamtypeinChina'scurrentdamconstruction.Asamajorpartofthedam,thestudyofrockfill'sstressanddeformationbehaviorisparticularlyimportant.ThetraditionalmodelsofsoilasDuncanZhang,Tsing

6、huaKGnonlinearmodelandShenZhujiangyieldsurfacemodelarewidelyusedinpracticalengineeringcalculations.Thesemodelscanreflectpartofthefeaturesofthesoil,buttheyalsohavesomedrawbacks,suchastoomanyparameters,unclearphysicalmeanings,noreflectionofthestresspath,notconformedtothethermod

7、ynamicstheory.ThispaperanalyzesthechangeprocessofthestressratioofPankouandShuibuyaCFRDdamsduringconstrucionanddrawsaconclusionthatthestressratioremainsnearlyconstant.Andintheframeworkofthermodynamics,thispaperderivesanonlinearelasticmodelofrockfillsunderthelawofconservationof

8、energy,analyzestheindexofthemodelandverifiestheconservativeenergyint