堆石料干密度缩尺效应与制样标准研究

针对已有相对密度试验成果仅限于室内试验的现状,采用某工程花岗岩堆石料,首次进行现场大尺寸密度桶试验,研究不同缩尺方法对干密度试验结果的影响,研究干密度缩尺效应对于室内缩尺试验的制样标准以及现场压实质量评价的影响。结果表明:(1)由于缩尺后级配的截尾误差、颗粒形状差异等因素,即使采用相似级配法缩尺,堆石料干密度也随着最大粒径的增大而增大,仍然存在一定的缩尺效应;但当最大粒径达到300mm以上时,这种缩尺效应显著减小;(2)最大粒径不同的各组级配堆石料干密度测量值均存在极大值,对应的临界分形维数与级配的最大粒径无关;(3)目前普遍使用的混合缩尺方法,降低了原级配堆石料的粒度分形维数,劣化了颗粒之间的充填关系,导致同一相对密度条件下的干密度比相似级配法的试验结果更明显偏离现场,难以合理反映原级配堆石料的物理力学性质;(4)采用与现场碾压堆石体相同的相对密度标准制样,比直接采用现场填筑干密度制样,其室内压缩试验得到的压缩模量降低90%～220%;不考虑干密度缩尺效应的室内试验结果,大大高估了现场碾压堆石体的力学性质;(5)采用室内试验结果直接计算现场原级配堆石体的相对密度,高估了堆石体的压实程度,甚至可能出现相对密度大于1的问题。     

粗粒筑坝材料密实度的缩尺效应研究

 针对已有研究成果忽视密实度缩尺效应对粗粒筑坝料力学性质影响的问题,根据双江口300 m级土石坝堆石料的原平均设计级配曲线,采用4种不同缩尺方法得到室内干密度极值试验成果,利用粗粒筑坝材料的级配设计母线--Talbot曲线,引入分形几何理论,选取对级配性质较为敏感的Talbot公式的指数n以及反映颗粒形状与粗糙度的因子作为分形指标,解译粗粒料密实度出现缩尺效应的内在原因,为粗粒料级配构成对密实度影响的量化评价提供依据,克服以往只能利用不均匀系数和曲率系数进行模糊评价的缺点。利用PFC2D软件,结合混合法各缩尺比级配进行干密度极值数值试验,研究缩尺效应对粗粒料的相对密度、孔隙率的影响规律,并分析引起其差异的细观机制。     

基于分形理论的堆石料级配设计方法

根据分形理论,推导了堆石料级配的分形分布公式。利用6座心墙坝和5座200 m级面板坝工程的现场级配检测资料进行验证,相关系数基本在0.95以上,吻合较好;相对于不均匀系数Cu和曲率系数C_c指标,粒度分形维数可以更客观地反映堆石料填筑级配平均特性;对英安岩、凝灰岩和混合岩等不同母岩特性的缩尺堆石料进行了室内干密度试验研究,同时结合水布垭等4座大坝原级配堆石料的检测资料,研究了级配(粒度分形维数)与压实干密度的关系,认为级配是影响堆石料压实性能的主要因素;利用粗粒土级配的Cu,C_c与分形维数的关系,首次提出了堆石料、过渡料等大粒径筑坝材料的良好级配范围,其粒度分形维数在2.22~2.63之间。研究结论可为堆石料的级配设计与优化提供依据。     

连续分布超径粗粒土的级配缩尺方法与适用条件

结合国内若干座典型高坝,分析堆石料和砂砾料的填筑级配特性;在此基础上,结合大石峡和长河坝坝料室内相对密度试验和大型压缩试验,研究超径粗粒土级配缩尺方法的合理选择问题。结果表明:(1)Weibull模型对于反映筑坝粗粒土的级配构成具有较好的适应性,也可以反映级配的分形特性;(2)连续分布的粗粒土级配,剔除法、等量替代法、相似级配法等常见缩尺方法可采用统一的级配缩尺公式表示,可以准确计算缩尺试验级配;(3)使用最优颗粒充填关系对应的临界P5值,代替规范建议的小于5 mm颗粒质量百分含量P5不大于15%的标准,作为相似法的使用条件,即可避免过度使用混合法带来的缩尺试验误差,也不会出现相似法导致缩尺级配的"砂化"问题,可最大限度地保证缩尺前后级配的几何相似,有效提高缩尺试验结果的精度;(4)利用临界分形维Dc与最大粒径无关的性质,对于不同分布类型级配的超径粗粒土,可采用分形级配公式计算缩尺级配的临界P5值,并根据原级配参数确定相应的缩尺方法。研究成果可用于超径粗粒土的缩尺试验,具有较强的应用价值。     

堆石料缩尺效应的细观机制研究

堆石料的缩尺效应是客观存在的,受众多因素的影响,不同学者的试验结果均不相同甚至规律相反。采用考虑颗粒破碎效应的随机颗粒不连续变形方法,探讨堆石料缩尺效应的细观机制,试图解释试验成果出现差异的原因。主要研究压实度控制标准和颗粒自身性质对缩尺效应的影响,模拟结果表明：颗粒形状和级配对堆石料的压实性能有很大的影响,因此采用相对密度控制的缩尺级配料的密实度其强度差异较小;最大粒径越大,堆石料的不均匀系数越大,颗粒间的咬合作用越强烈,导致堆石料的初始切线模量也增大;而堆石料强度的缩尺效应与缩尺方法、压实度控制标准和颗粒自身性质等因素有关,其细观机制在于颗粒的剪胀、破碎和重排列受上述因素的影响而产生此消彼长或者此长彼消的复杂关系,其最终结果取决于何种因素占据主导地位;并试图提出一个通用的缩尺效应模型描述缩尺级配料的力学特性变化规律,外推原型级配料的力学参数不太可能,只能针对特定堆石料展开研究。     

堆石料最大指标密度室内试验方法的研究

基于振动合法及表面振动器法的试验条件参数对测定堆石料最大指标密度影响的室内系统试验研究,以及对比相应现场碾压试验资料后,本文提供了这两种试验法试验条件参数的建议值;试验还证实了原型堆石料室内系列相似级配模型料的最大指标密度与最大粒径之间存在半对数线性关系,据此外插得到原型堆石料的最大指标密度。此外,本文推荐采用压实度指标确定堆石料的填筑标准。     

粗粒土抗剪强度的缩尺效应规律试验研究

抗剪强度是评价土体稳定性的重要指标,研究缩尺效应对粗粒土抗剪强度的影响,对高土石坝工程土体强度估算有重要的理论意义和应用价值。根据前人的研究,颗粒最大粒径d_max和级配结构两部分变化是导致缩尺后试样存在缩尺效应的主要原因,其中级配结构可由级配面积S作为特征参数表示。通过改变试样的d_max和S,设计了24组不同级配试样,利用大型直剪仪对各组试样进行直剪试验,从而定量研究颗粒最大粒径和级配结构对粗粒土抗剪强度的影响规律。研究结果表明：粗粒土的抗剪强度指标黏聚力c和内摩擦角φ均表现出随着d_max增大而增大的规律,且c和φ均与d_max呈对数函数关系;黏聚力c和内摩擦角φ随着S的减小而增大,到达某一特定值后呈略微减小的趋势,并根据相应试验数据分别建立c和φ与S的关系式。最后,基于试验结果建立了考虑缩尺效应的粗粒土抗剪强度的预测模型,并用相关文献试验数据验证了该模型对不同类型粗粒土的适用性。     

连续分布的粗粒土级配方程与压实性能

以Morgan等人提出的生长曲线为基础,提出了可反映粗粒土"S型"以及"上凸型"颗粒分布的2参数级配方程及参数取值范围;当形状参数a趋向无穷大时,则级配方程转化为分形分布公式。在此基础上,提出了采用相对密度试验手段确定最优压实性能级配的方法。建议级配方程对于长河坝、大石峡、两河口等高坝的填筑级配,具有很好的适用性。利用所得研究成果,对大石峡砂砾料进行室内相对密度试验,结果表明:①对于最大粒径60 mm的不同分布规律的粗粒土而言,随着级配参数的变化,其最大、最小干密度均存在极值点或拐点,且对应的临界P5值都在35%附近。②临界P5值对应粗粒土的极优压实性能级配;颗粒级配越接近分形分布,压实性能越好,临界P5值对应的分形分布级配,即为最优压实性能级配。接近分形分布的长河坝堆石料,较低的现场压实参数却获得了较高的填筑干密度,也佐证了这一结论的合理性。③利用临界分形维数的尺度无关性,可以方便地将室内最优压实性能级配的研究成果推广至现场不同最大粒径的工程级配。结论可用于粗粒土的级配设计以及压实性能评价。     

间断级配粗粒土压实特性试验研究

岩土工程中常遇到级配不连续的粗粒土,这类间断级配粗粒土的压实特性尚不清楚。通过开展室内压实试验,探究了影响间断级配粗粒土压实特性的主要因素。试验发现,间断级配与连续级配料相比,缺少d₃₀以下的粒径不利于压实,缺少中间粒径反而可能有利于压实。其干密度随基准级配分形维数D的增加而增大,并且D=2.5~2.7时压实性最好;随细料含量的增加先增后减,而最优细料含量与粗、细料单独堆积密度以及粗细颗粒堆积过程中的相互干扰程度有关。据此建立了间断级配粗粒土压实干密度的预测模型,通过少量压实试验即可得获得干密度与细料含量的关系曲线,从而得到最优细料含量和满足干密度要求的细料含量区间,可以较大程度上减少试验工作量。     

高面板坝堆石体的填筑质量控制指标研究与应用

利用建设中的阿尔塔什高面板坝的堆石料填筑级配,进行了现场大型相对密度试验,结合三因素图研究了堆石体采用孔隙率和相对密度双控填筑标准的设计方法,并利用堆石料挖坑检测资料说明了相应的现场填筑质量控制流程。结果表明:①堆石料的填筑级配基本为分形分布,粒度分形维数在2.516～2.633之间,压实性能较优;②当堆石料的最大粒径达到400 mm时,其干密度缩尺效应已经较小,可直接利用最大控制粒径等于400 mm级配的相对密度试验结果制作三因素图,作为评价现场堆石体压实质量的依据;③满足设计孔隙率不大于19%的堆石体,如果增设相对密度压实标准,则相对密度需满足不小于0.76,则仍有15%的检测坑不满足双控填筑标准要求的压实程度。孔隙率受级配影响较大,仅仅满足设计孔隙率要求,不能保证堆石体都能得到充分的压实,理论上不适合作为堆石体的压实标准;④采用孔隙率和相对密度双控填筑标准,为设计级配优良且充分压实的堆石体提供了理论依据,可以更好地满足高土石坝对于变形控制的要求,是保证高坝建设与运行安全的基础。     

堆石料的颗粒破碎规律研究

粗颗粒土剪切过程中的颗粒破碎现象已被广泛认识,并且在试验和理论方面进行了大量研究。利用大型三轴仪开展了一系列不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的排水剪切试验,并对试验前后的试样分别进行了颗粒分析,以探讨堆石料的颗粒破碎规律及其影响因素。试验结果表明:密度对颗粒破碎影响较小,而级配和围压的影响较大,围压越高则颗粒破碎越严重。对比试验前后的粒径分布曲线发现,颗粒破碎主要集中在粒径20 mm以上的颗粒范围内,粒径变化幅度随粒径的减小呈减小趋势。基于分形理论,建立了颗粒破碎分形维数与围压和颗粒级配之间的关系表达式,为进一步研究堆石料的强度、变形及剪胀特性提供依据。     

考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态研究

临界状态土力学理论在描述细颗粒土应力变形特性方面较为成功,已经成为建立许多黏土和砂土本构模型的基础。对于堆石料,在应力、密度、级配等因素影响下,其变形特性非常复杂,且高应力条件下颗粒易发生破碎,是否存在"唯一"的临界状态值得探讨。通过对不同级配、不同密度的试样在不同围压条件下的一系列大型三轴剪切试验,研究了堆石料的临界状态及其影响因素。研究发现:不同级配、不同密度、不同初始固结应力条件下,当剪应变较大时试样都趋于临界状态,临界状态的值与初始密度、初始级配、颗粒破碎有关;q–p'平面内,堆石料存在唯一的临界应力比M;在e–(p'/p_a)~ζ平面内,临界状态线基本平行,其截距可以根据初始密度和初始级配直接求得。通过对比分析各试样的临界状态,提出了考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态数学表达式。     

基于颗粒破碎特性的堆石材料级配演化模型

颗粒破碎会改变土体级配,进而影响其应力应变等力学行为。针对现有技术手段难以实时确定加载过程中颗粒破碎与级配变化的现状,依据天然岩石颗粒的破碎特性,建立了一个基于颗粒强度的级配演化模型。模型中应力参数采用增量加载法,可预测加载过程中的级配演化。由单粒强度试验确定颗粒破碎特性和模型参数,试验结果表明颗粒强度服从Weibull分布。筛分颗粒破碎后的碎片发现,粒径累计分布可用正态曲线拟合,且不同粒组的粒径累计分布相似。最后,模型计算结果与三轴试验数据的对比分析表明,模型可以较好地预测试样在加载过程中的级配变化。     

堆石体的填筑标准与级配优化研究

基于分形理论,进行了大量堆石料室内相对密度试验、压缩试验以及三轴试验,对堆石料级配与干密度、压缩模量、破坏强度、颗粒破碎等工程特性之间的关系进行了深入研究。结果表明:(1)级配对堆石料的物理力学性质影响明显,且随着试验应力的增加,其差异性越来越大。如粒度分形维数D在2.22~2.63的良好级配范围内,制样相对密度取1.0时,堆石料干密度在2.026~2.311 g/cm~3之间,相差14%;在3.2~6.4 MPa压力范围内的压缩模量相差2.47倍;制样相对密度取0.8时,在1.6 MPa围压时的三轴试验破坏剪应力相差23%。(2)相同相对密度条件下,随着粒度分形维数的增加,堆石料的极值干密度或孔隙率、压缩模量、破坏应力均表现为先增大、后减小的规律,在D=2.56~2.62附近均存在极值点,对应P5含量在35%左右,细粒含量过多时的"砂化"现象,导致颗粒骨架效应减弱,堆石的工程性质劣化,极值点对应的临界分形维数控制堆石料的工程性质。(3)堆石料的粒度分形维数与颗粒破碎之间存在良好的规律,即粒度分形维数越高,颗粒破碎越小,可通过级配优化设计控制堆石料的颗粒破碎。(4)基于堆石体的孔隙率可描述为粒度分形维数和相对密度的函数,首次提出了基于变形控制的孔隙率和相对密度双控指标,作为高坝堆石体的填筑标准,并结合如美300 m级堆石坝,提出了堆石料级配优化确定的方法。     

高心墙堆石坝填筑标准的试验研究

近期建成的几座高心墙堆石坝的监测资料表明,坝体的分区变形协调性并没有达到设计目标。为此,结合建设中的长河坝300m级心墙堆石坝,开展了坝壳料的室内和现场大型相对密度试验,得到了相应的相对密度指标,并对各分区的填筑标准进行了讨论。结果表明:①由于级配为较好的分形分布、压实性优良,现场堆石区的填筑平均孔隙率达到19%,优于21%的设计指标,但相对密度仅为0.65;②根据规范要求设计的反滤2区、过渡区和堆石区的填筑相对密度在0.96～0.65之间,其压实程度存在明显差异,不易保证坝体各分区的变形协调;③采用与现场压实功能相匹配的室内相对密度试验技术,可解决高心墙坝的反滤料或面板坝的垫层料相对密度大于1的问题;④高坝堆石体的变形控制设计,需要考虑级配效应的影响,宜采用孔隙率和相对密度双控填筑指标。结论可为高堆石坝的设计与建设提供参考。     

粗粒土强度和变形的级配影响试验研究

开展了不同细粒含量的无黏性和含黏粒粗粒土的共8组大型三轴排水剪切试验,研究了级配对粗粒土强度、变形、剪胀特性和颗粒破碎的影响。试验结果表明细颗粒含量的大小、是否含泥是粗粒土力学特性的重要影响因素;分析了无黏性粗粒土的颗粒破碎率随围压大小、级配的变化;研究了剪切峰值随围压、细颗粒含量的变化规律,讨论了不同围压、不同级配特征情况下粗粒土的剪胀特性。根据含黏粒粗颗粒土的试验结果,分析了含泥量对强度和变形特性的影响,并从机理上分析了细粒含量对无黏性和含黏粒粗粒土的力学特性影响的差异性。试验结果表明对于土石坝工程良好的坝体填筑料级配、严格控制小于0.075 mm颗粒含量,有利于提高坝体的稳定性和减小坝体沉降。