级配对堆石料颗粒破碎及力学特性的影响

级配是影响堆石料颗粒破碎和力学特性的重要因素。为研究级配对堆石料强度和变形特性的影响,开展了3种堆石料的大型三轴排水剪切试验;同时为分析不同级配堆石料的颗粒破碎特性,对试验前后试样进行了颗分试验。试验结果表明,颗粒破碎率随应力的增大而增大,在同一围压情况下,相比于细颗粒含量高的堆石料,细颗粒含量少的产生的颗粒破碎率要大。随细颗粒含量的增加,强度指标变大,抵御变形能力增强,剪切过程中产生的体积变形小,剪胀更为明显。     

基于单粒压缩试验的堆石料破碎特性研究

堆石料的颗粒破碎是影响其强度及变形的主要因素,但堆石料在受力过程中的颗粒破碎规律仍不明确,缺乏准确判断堆石料颗粒破碎的标准。单粒压缩试验是研究堆石料破碎特性的重要手段,通过可视化单粒压缩试验对920组不同粒径玄武岩堆石料颗粒的破碎过程进行了研究。试验结果表明：玄武岩堆石料单粒压缩破碎的过程大致可分为4个阶段,破碎模式可分为3种类型,破碎程度随粒径的减小而增大;同一粒组的堆石料单粒强度较好地服从 Weibull模型,随着试验样本量的增加,峰值应力分布逐步趋向正态分布;破碎颗粒的级配分布与破碎模式相关,多应力峰值破碎颗粒的碎后粒径级配曲线服从分形分布。     

考虑振动碾压引起的颗粒破碎对堆石坝变形计算的影响

采用振动碾压填筑堆石坝的过程中,堆石料会发生大量的颗粒破碎,导致粗粒含量减小,细颗粒含量增加,碾压后的级配与设计级配已经不再相同。然而,目前在可研和初设阶段,开展现场碾压试验难度大,而有限元计算大坝变形时采用的堆石料计算参数往往都是设计级配(未考虑碾压)的三轴试验结果。实际上,设计级配的变形模量比碾压后级配(相同密度条件下)的试验结果高。本文参考已建大坝碾压时颗粒破碎的实测结果,采用考虑颗粒破碎的状态相关的堆石料弹塑性本构模型,开展了大坝施工和蓄水的有限元分析研究,计算结果表明:是否考虑碾压过程中的颗粒破碎对大坝变形计算结果有着较大的影响,如果在三轴试验或计算分析中不考虑这个因素,会明显地低估大坝的变形,对大坝的安全性评价是十分不利的,这可能是目前有限元计算的高坝沉降变形比实测偏小的主要原因之一。     

人工模拟堆石料颗粒破碎的分形特性

人工制备等粒径、不同强度的水泥球颗粒模拟堆石料,进行室内三轴加载试验。依据试验前后颗粒破碎后的粒径分布,采用Tyler等建立的分形模型,研究堆石料颗粒破碎的分形特性,并与Hardin相对颗粒破碎率进行对比分析,探究分形维数表征颗粒破碎程度的可行性。结果表明:排水和不排水条件下得到的结果相似,试验采用的4种水泥含量的试样颗粒在颗粒破碎后的分布特征具有良好的分形特性。同一水泥含量下,随着围压的升高,堆石料分形维数逐渐增大;高围压下,颗粒破碎严重,中间粒径和细粒含量较多,级配更均匀,分形模拟结果与试验结果较低围压下具有更好的线性关系。相同围压下,随着颗粒强度的增大,颗粒破碎程度减小,分形维数随之逐渐减小。通过与Hardin相对颗粒破碎率进行对比可知,分形维数可以很好地表征试样的级配情况,其值越大,级配越良好,粒径分布情况越均匀,颗粒破碎越严重。     

高土石坝堆石料缩尺效应研究

通过堆石料室内大型三轴试验、数值模拟及现场原级配料载荷试验,分析缩尺效应对堆石料工程特性的影响。结果表明:室内试验颗粒最大粒径小于原级配颗粒最大粒径,忽略了颗粒破碎对筑坝料变形的影响,导致室内试验得到的参数大于堆石料实际变形参数;数值模拟试样级配变化较大,堆石料较为均匀,制样孔隙比大,试样干密度也远小于施工控制的干密度,试验时加载过程中颗粒的压缩和压密加剧了筑坝料的变形,导致模拟得到的变形参数偏小。堆石料缩尺效应主要受母岩强度、颗粒形状、级配特征、制样方法、控制标准等的影响;随堆石料最大粒径的增大,初始摩擦角稍有增加,摩擦角衰减值明显增加,体变模量明显减小,模量系数变化相对较小。     

考虑级配效应的堆石料颗粒破碎与变形特性研究

通过6组级配堆石料的相对密度试验和大型三轴试验,分析了堆石料级配与抗剪强度、剪胀性、压缩性及颗粒破碎之间的规律,建立了堆石料广义塑性模型参数与制样分形维数之间的函数关系式,并利用不同级配的三轴试验结果验证其合理性。结果表明:堆石料的性质与级配密切相关,采用制样分形维数的二次函数可以较好地反映级配对其物理力学性质的影响。研究结论可为考虑级配影响的堆石体应力变形计算提供依据。     

堆石料强度及变形研究

通过大型三轴剪切试验,研究了广泛应用于众多工程领域的堆石料,在不同围压下和复杂应力状态下的强度和应力一应变关系,得到了所选用堆石料的抗剪强度指标及邓肯张非线性模型的参数值;通过对比不同围压下,试验前后试样的颗粒级配,得到了在试验过程中,堆石料的颗粒破碎度随着囤压的增加而增加,但制样过程中人为导致颗粒破碎的因数也不容忽视.     

考虑堆石料颗粒形状的大三轴数值模型构造

离散元数值试验是研究堆石料力学特性的重要手段之一。堆石料颗粒形状不规则且粒径跨度大,很难形成既考虑颗粒形状,又满足实验室级配和孔隙率要求的离散元数值试样。在研究傅里叶描述符对颗粒延伸率、纵横比、扁平度等形状描述指标影响的基础上,构造了一系列不规则形状的细观堆石颗粒。结合离散元方法,采用Ｃｌｕｍｐ－ｂａｌｌ混合的落雨式分层过压建模法构造了大三轴数值模型。结果表明,构造方法更接近实验室制样过程,数值模型满足室内试验级配和孔隙率要求,为研究颗粒形状对堆石料力学特性影响作铺垫。     

基于广义塑性模型的高面板堆石坝应力变形数值模拟

基于大型静力三轴压缩试验、等向压缩和卸载试验,构造了简捷的塑性模量表达式,建立了适用于堆石料的广义塑性本构模型。堆石料的本构模型模拟和三轴压缩试验的对比结果表明:广义塑性模型不仅能反映堆石料在低围压下的剪胀性和高围压下的剪缩性,而且能反映堆石料因颗粒破碎而引起峰值应力比和剪胀应力比的非线性变化特性。此外,有限元静力计算结果表明,坝体水平位移和沉降特性均符合高面板堆石坝的一般变形规律,量值在合理范围内。     

考虑级配影响的堆石料强度与变形特性

利用大型三轴仪选用一种典型堆石料,通过设置4种级配、4种相对密度开展一系列不同围压作用下的大型三轴压缩试验,以研究级配、密度、应力状态等因素对堆石料强度与变形特性的影响。基于以上试验,对比分析不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的应力变形特性,结果表明:试样颗粒越粗,剪切过程中试样越呈现应变硬化和压缩变形特性,随着颗粒逐渐变细,应变软化和剪胀特性愈加明显;堆石料强度与变形特性不仅与其密实和所处的应力状态有关,而且初始级配对其强度与变形特性有显著影响;堆石料强度包络线符合幂函数关系,并通过分析计算验证了其合理性与正确性。分析结果为进一步研究堆石料的状态相关剪胀理论及状态相关本构模型奠定了基础。     

Shear behavior of coarse aggregates for dam construction under varied stress paths

Coarse aggregates are the major infrastructure materials of concrete-faced rock-fill dams and are consolidated to bear upper and lateral loads. With the increase of dam height, high confining pressure and complex stress states complicate the shear behavfor of coarse aggregates, and thus impede the high dam＇s proper construction, operation and maintenance. An experimental program was conducted to study the shear behavior of dam coarse aggregates using a large-scale triaxial shear apparatus. Through triaxial shear tests, the strain-stress behaviors of aggregates were observed under constant confining pressures： 300 kPa, 600 kPa 900 kPa and 1200 kPa. Shear strengths and aggregate breakage characteristics associated with high pressure shear processes are discussed. Stress path tests were conducted to observe and analyze coarse aggregate response under complex stress states. In triaxial shear tests, it was found that peak deviator stresses increase along with confining pressures, whereas the peak principal stress ratios decrease as confining pressures increase With increasing confining pressures, the dilation decreases and the contraction eventually prevails. Initial strength parameters （Poisson＇s ratio and tangent modulus） show a nonlinear relationship with confining pressures when the pressures are relatively low. Shear strength parameters decrease with increasing confining pressures. The failure envelope lines are convex curves, with clear curvature under low confining pressures. Under moderate confining pressures, dilation is offset by particle breakage. Under high confining pressures, dilation disappears.     

不同湿度混凝土动力抗压性能数值模拟分析

本文基于随机骨料建立了二维混凝土的细观数值模型,利用无厚度cohesive单元模拟界面层及基体的损伤,用弹性单元模拟孔隙水,并结合黏性效应、惯性效应,模拟分析了应变率和孔隙含水率对混凝土抗压强度、峰值应变和弹性模量的影响。结果表明:动力分析时混凝土组成材料采用静力参数,考虑了惯性效应与黏性作用后,数值模型可以很好地反映动力荷载作用下混凝土名义动力强度增长因子(DIF)、单轴压缩弹性模量和峰值应变随应变率增加而增加的宏观现象,以及随着孔隙含水率增加混凝土静动态抗压强度线性减小、DIF线性增加、率效应增强的变化规律。以应变率和孔隙含水率为参数,提出了以干燥混凝土静态抗压强度为基准的含水混凝土动态抗压强度的预测公式。     

粗粒土颗粒破碎大型直剪试验研究

颗粒破碎是粗粒土的基本属性。随着高土石坝的陆续兴建,高应力下粗粒土的颗粒破碎特征成为人们研究的一个重要方面。通过对不同粒径粗粒土试样的大型直剪试验,研究了高法向应力下粗粒土的颗粒破碎规律,并对接触面剪应力-剪位移关系进行了分析。结果表明:随着法向应力增加,颗粒破碎率增加;相同法向应力下,粒径越大,破碎率越大;级配越良好,破碎率越小;颗粒破碎主要形成次一级粒径。     

筑坝堆石料的动模量阻尼比试验研究

为研究目前在土石坝工程中遇到的长石砂岩类堆石料的动力特性,采用大型高压多功能静动三轴试验机,对某面板堆石坝长石砂岩类堆石料进行了动模量与阻尼比试验研究。分析了围压对最大动模量、动剪切模量比和阻尼比的影响,并以Hardin-Drnevich 模型为基础,确定主堆石料、过渡料和垫层料3种坝料的动模量和阻尼比等特性参数。试验结果表明:动模量随着动剪切应变的增大逐渐衰减,最大动模量随围压的提高而增大,各种材料的动剪切模量比随着动剪切应变的增大而减小,变化趋势满足Hardin-Drnevich公式,有效固结围压越大,动剪切模量比随动剪切应变衰减的速率越慢;阻尼比随着动剪切应变的增大而增大,围压越大,阻尼比越小,变化趋势可用提出的修正的Hardin-Drnevich公式进行描述。研究成果可为土石坝抗震设计与动力稳定评价提供理论基础。     

不同应力路径下粗粒料的颗粒破碎试验研究

采用大型三轴试验机,对粗粒料进行了常规三轴、等p和等应力比等不同应力路径的试验,研究了粗粒料在不同应力路径下的颗粒破碎情况,分析了应力路径对颗粒破碎和强度特性的影响,并对颗粒破碎与塑性功之间的关系进行了探讨。试验结果表明,应力路径对粗粒料的强度特性影响并不显著;颗粒破碎主要与加载过程中输入的塑性功有关,颗粒相对破碎率随着输入塑性功的增大而增大,与塑性功呈较好的双曲线关系;颗粒破碎的增加将导致峰值内摩擦角的减小,峰值内摩擦角与颗粒相对破碎率之间呈线性关系。     

掺砾黏土动力特性研究进展

综述了掺砾黏土动力特性的研究现状,分析了动剪切模量、阻尼比和动强度的影响因素,提出研究掺砾黏土的动力特性需要考虑材料的细观结构特征,总结了考虑材料细观结构特征的数值方法及分析理论。指出今后需要在掺砾黏土的细观结构特征及其影响因素、细观结构对材料宏观动力性能的影响机理和基于颗粒增强复合材料理论的细观力学模型等方面作重点研究。     

双江口水电站坝体材料及覆盖层坝基动力变形特性研究

筑坝材料的动力变形特性是进行大坝动力反应分析的基本依据之一,采用等效粘弹性模型计算时主要包括最大动剪模量Gmax与平均有效主应力的关系,动剪模量比G/Gmax与动剪应变幅γd的关系以及阻尼比λ与动剪应变幅γd的关系等。这些关系反映了在动荷载作用下土的应力应变关系的非线性与粘滞性特征。双江口水电站坝体材料及覆盖层坝基动力...     

两河口高土石坝动力特性振动台模型试验研究

土石坝坝体自身的动力特性,是土石坝在地震动作用下动力响应性状的重要影响因素。本文通过大型振动台模型试验,研究了两河口高土石坝缩尺模型坝的动力特性及其相关影响规律,并根据相似率,用模型坝的动力特性参数推算出原型高土石坝的相应动力特性参数。试验研究表明：在特定的地震动作用下,大坝结构的振型基本稳定;坝体的自振频率、阻尼比和振型系数等动力特性参数受振动强度、振动历史和水库是否蓄水等因素影响。