堆石体流变综述.doc

堆石体流变研究进展马刚(武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，武汉430072)摘要：随着以水布域面板堆石坝为代表的高面板堆石坝的建成并蓄水，我国在面板堆石坝的设计理论、施工技术等方面都取得 了长足的进步，特别是对堆石体的流变特性有了一个比较全面的了解本文系统的介绍了国内外在堆石体流变特性的研究中，主 要是在堆石体流变机理分析、堆石体本构模型的建立、堆石体流变参数的确定等方面所取得的一系列研究成果和研究进展关键词：堆石体机理研究模型本构流变参数Research development of rockfiir rheological behaviorMA Gang(State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan, 430072, China)Abstract: Along with the completion and impoundment of Shuibuya Concrete Face RockfiH Dam. we have made a series of improvements in the design theory and construction technology of CFRD. We also have a overall understanding of rockfill rheologiacl behavior in particular. This paper try to get a thorough description about the achievement wc made in the research of rockfiir rheological behavior home and abroad. We particularly focus our attention on the mechanism of rheology > constitutive model of rick till and rheological parameter.Key Words: Rockfill, mechanism research, constitutive model, rheological parameter。

引言混凝土面板堆石坝由于其具有充分利用当地材料、适应性广、施工简单、工期简单、造价较低等优点，具 有较强的生命力，因而在国内外得到广泛的采用和迅速发展在混凝土面板堆石坝中，作为坝体主要防渗结构 的混凝土面板，其变形主要取决于堆石体的变形，如果堆石体的变形过大，就会使血板产生裂缝，从而影响其 防渗性能，甚至危及坝体的稳定堆石体的变形，除通常的瞬时变形外，还存在随时间发展的流变变形对于 低坝流变变形占坝体总变形的比例较小，一般不予考虑，然而对于高面板堆石坝，特别是200m级的高面板堆 石坝，其影响不容忽视，主要表现在由于堆石体的流变变形，使后期变形量增大，对血板和趾板等防渗体结构 造成很大的安全隐患，且随着坝高的不断增加其影响程度也越来越大对一些己建的并蓄水的血板堆石坝的原 型观测资料的研究表明，堆石体的变形在一定的时间内并未停止，说明堆石体具有流变的特性[，1(2]0例如我国 的天生桥一级面板堆石坝，由于混凝十.面板浇筑距堆石填筑时间过短，堆石体的流变变形还未来得及完成，堆 石体的初期流变变形是天生桥面板脱空的主要原因因此，随着面板堆石坝高度的逐渐增大，对其进行计入时 间效应的应力应变分析在理论和实践上都变得非常重要。

在设计高面板堆石坝时正确合理的计入流变变形的影 响，降低堆石体的变形量，特别是运行期的变形量，是保证大坝安全运行的关键1堆石体流变机理研究进展1.1堆石体流变机理的宏观分析近年来国内许多学者对堆石体的流变变形机理和变形规律进行了探讨，主要是通过室内试验和反馈分析的 方法进行古典的弹塑性理论认为物体的应力状态是恒定的，加荷以后立即产生变形而实际上，堆石是具有一定级 配的岩石颗粒的集合体，其应力和变形都是时间的函数在骨架应力的作用下，颗粒的重新排列和骨架体的错 动具有时间效应，岩石颗粒内部应力必须调整⑶堆石体的流变即涉及到力学现象又与物理机制密切相关囹根据堆石体的变形机理，堆石的变形主要分为 两个阶段，首先是外力变形阶段在外力做功（如振动碾压）的作用下，堆石体逐步变密，这一变形过程也可称 为主压缩变形，由于时间很短，堆石体难以产生流变变形，外力做功一完成，主压缩变形也基本完成此阶段 堆石颗粒之间以脆性接触为主，主要表现为堆石颗粒棱角大量破碎以及颗粒之间相对位移、相互充填和结构调 整，而且随着碾压功的增加，颗粒破碎也越-来越厉害，|何孔隙充填的进程也在迅速加快，但外力做功有限因 而，颗粒对孔隙的充填并不十分充实，变形只能停留在一个相对稳定的水平。

其次是流变阶段，由于堆石体自 重（施工期）或水荷载（运行期）等应力的作用，导致粗大颗粒棱角或者软弱颗粒少量的破碎、细化，颗粒重新排列, 产生滑移并充填孔隙，这在宏观上就表现为堆石体的缓慢变形即流变起初，流变的速率较快，受控于颗粒充 填孔隙的速率，后来，颗粒充填排列逐步变慢，堆石的流变速率也随之变缓显然，堆石的流变变形是不会无 限发展王勇⑸了对堆石的长期变形特性进行了定性地分析，认为堆石体的流变变形是堆石强度降低的高接触应力 一破碎和重新排列一应力释放、调整和转移的过程，这种过程不断重发并越来越慢，最后趋于相对静止在堆 石体流变的室内试验中，由于试样尺寸及其最大粒径的限制，这种颗粒间的高接触应力一破碎和颗粒重新排列 —应力释放一调整和转移的循环过程很快就结束，并进入单纯的颗粒重新排列过程，同样由于试祥体积有限， 这神单纯的颗粒重新排列过程引起的变形难以测出所以堆石体的室内流变试验宏观上表现为变形迅速而平稳 1.2堆石体流变机理的组构分析方法由于堆石体流变特性的复杂性，仅仅通过室内流变试验是很难从本质上反映其流变机理和特性的，除了试 样尺寸与现场的巨大差异引起的缩尺效应外，就是平行试验成果间也会出现差异，即试验成果的不确定性俱 这与堆石体内部结构的组构特征是密切相关的。

组构理论是从细观的角度研究散粒体的变形规律，在细观的基础上分析颗粒集合体的宏观力学响应的一种 方法这里所谓的细观是指颗粒尺寸等量级的尺度大小自上世纪七八十年代以来，各国就对颗粒材料的细观 变形机理及其组构关系进行了大量的研究⑺叫周伟等的针对堆石材料的组成特点，探讨了堆石体颗粒集合体 组构张量的定义、平衡方程以及形变方程的表达式，运用组构理论针对常规三轴流变试验产生的流变变形进行 了分析，得出了堆石体产生流变变形组构条件，从组构张量出发初步探讨组构理论在解释堆石体流变机理方面 的应用，该文为以后进一步开展堆石体流变变形的组构分析奠定的基础2堆石体流变本构模型随着堆石的流变逐渐引起坝工界的重视，有关堆石流变的研究也越来越多，它的基木课题是研究堆石体的 应力应变的规律及其随时间的变化，并根据所建立的木构模型去解决工程实际中与流变有关的问题研究的 侧重点主要集中在以下两个方面：一是堆石体木构模型的建立，探讨用什么样的木构模型去描述堆石的应力应 变与时间之间的关系，既要使得木构模型能够准确反映堆石的流变特性，又要考虑到实际工程应用的可行性； 二是相应木构模型参数的确定目前国内学者对堆石体的流变研究还是比较有限，还没有能比较可靠的描述堆石流变的本构模型。

从现有 的文献资料来看，进行堆石体流变木构模型的途径主要有以下两个⑴七一是按照某些描述弹性、塑性和粘性的 力学元件进行适当的组合，形成所谓“堆石流变元件模型”，这是一种理论方法，而且是根据岩土或土体等自然 存在物来类比的，但是，堆石在自然界并不存在，它是人们按照连续级配理论创造的一种人工筑坝材料，因此 在流变性质的表现形式上肯定会与岩石、土及沙等有一些不同；二是参照软土或岩石的流变试验方法，研究堆 石的流变规律，并己取得初步研究成果［⑵46］； 2.1基于流变试验成果的经验流变模型1985年Parkin A.K等人用固结仪对堆石进行流变试验〔⑵国内最早的流变试验是1991年沈珠江等人在应 力控制式三轴仪上进行的西北口垫层料的堆石流变试验，并根据流变试验提出了三参数指数衰减模型〔⑶，该流变 模型认为最终体积流变量与围压成正比，最终剪切流变量与应力水平呈双曲线关系沈珠江用该模型对鲁布革 心墙堆石坝的观测资料进行反馈分析为了获取不同堆石料的流变模型参数，沈珠江等四对株树桥、小干沟 和从化抽水蓄能电站上库血板堆石坝的原型观测资料进行了反馈分析，得出了软岩堆石料、沙砾料和普通堆石 料流变模型计算参数的范围。

三参数指数衰减模型是通过拟合试验曲线而得到，具有一定的物理意义，旦模型 简单，易于进行数值分析后来不同堆石料的流变试验成果的整理以及数值分析的方法基本停留在西北口垫层料流变试验的低围压试 验成果（即三参数指数流变模型）上的卜⑵］梁军等［叫曾采用大型压缩仪研究了面板堆石坝堆石料的流变变形 机理和变形规律，并对试验数据进行了拟合和分析，发现堆石的流变变形随时间呈指数衰减变化李国英等人 ［以用高围压对黄河公伯峡混凝土面板堆石坝的主堆料进行了流变试验，但是仍然没有针对高围压下最终流变量 提出更加准确的表达式，在计算最终流变量时仍然使用沈珠江在低围玉下提出的计算模型咧，仅对高围压下的 体积流变表达式进行了局部修正［成米占宽等〔功采用其试验成果对黄河公伯峡血板堆石坝进行了考虑流变效应 的分析王勇［剧结合殷宗则的双屈服面模型［电，通过在硬化规律中考虑时间因素，提出了一个用于血板坝流变 分析的堆石流变模型，并用于模拟Cethana坝的变形情况考虑到堆石体复杂的复杂性，在对高面板堆石坝进行流变分析时仍采用低围压下的计算模型是不合理的， 因此有必要对高围压下最终流变量的计算模型进行更深入的研究〔划程展林等WI针对水布垣血板堆石坝主堆石 料茅口组灰岩和次堆石料栖霞组灰岩，采用应力式大型三轴仪进行了系统试验，对堆石料流变的有关力学模型 进行了探讨，分析了堆石体流变与时间、应力状态的关系，并提出了九参数堆石流变的数学表达式及相应的参 数指标。

周伟等"在九参数堆石流变模型的基础上提出了适用于高围压下的慕函数流变本构模型，并推导了该 木构模型在三维有限元分析中的具体算法和实现步骤，对水布垣面板堆石坝进行了考虑堆石流变特性的应力应 变分析［24H261,在一定程度上为水布埋血板坝一期和二期面板的浇筑时间以及大坝施工程序的优化提供了依据2. 2基于元件组合的流变模型在流变的研究中经常采用基木流变元件模型理论，即采用一些基本元件来代表物体的某些性质，如用弹簧 来模拟物体的弹性、粘壶来模拟物体的粘滞性以及用滑块来模拟物体的塑型，通过这些基木元件的组合（用串 联或并联的方式）已建立微单元体的基木方程，通过解这些方程求的应力、应变、位移等量沈风生等［27］曾选用一个三元件粘弹性模型（Merchant模型）考虑血板堆石坝的流变变形，假定体积流变只由 体积应力产生、偏应力只引起体积不变的流变变形，并假定与Foz Do Areia面板坝具有相同的流变特性对天生 桥面板坝进行了考虑流变的计算文献［14］根据大型压缩试验成果整理出了开尔文流变模型的参数从目前来 看，只有蔡新等例运用流变元件模型Maxwel模型和H-K模型对梅溪面板堆石坝进行了初步的计算分析，选取 的流变参数参考了罗马尼亚里苏坝的流变参数，计算结果表明元件模型只能粗略的反映堆石的流变特性。

从元件模型理论建立的过程中可以看出，在整个研究过程中堆石体的内部流变机理始终是一个黑箱，人们 仅仅是通过一个表观现象去模拟另一个表观现象"叫元件模型虽然比较直观，但参。