粗粒料湿化变形三轴试验研究

对小浪底斜心墙堆石坝的砂岩粗粒料采用单线法进行中型三轴湿化变形试验,研究了该种土料的湿化变形特性。通过对试验结果和湿化变形规律的分析,总结了湿化轴向应变、湿化体积应变与湿化应力水平、围压之间的关系。试验结果表明,湿化轴向应变与湿化应力水平呈双曲线关系,湿化轴向应变与围压呈线性关系;湿化体积应变与湿化应力水平和围压均为线性关系。根据对试验结果的分析以及计算湿化变形的单线法,提出了一个适用于计算粗粒料湿化变形的数学模型。该湿化变形模型参数共6个,并给出了通过室内常规试验确定参数的方法。对模型进行了验证,结果表明该湿化模型计算曲线与试验结果吻合较好,表明该模型能较好地反映粗粒料湿化变形的特征。     

基于广义塑性模型的加筋面板堆石坝数值模拟

为研究地震作用对混凝土面板堆石坝采用的混凝土是否加筋有何影响,基于堆石料的静动力大三轴试验结果,构造了能考虑剪应力水平影响和堆石料颗粒破碎的一个简洁塑性模量表达式,建立了适用于堆石料的广义塑性本构模型。本构模型模拟曲线与三轴静动力试验曲线的对比结果表明:该模型能较好地模拟堆石料在低围压下的剪胀性和高围压下的剪缩性,以及在循环荷载作用下的滞回效应、硬化特性和循环致密性等复杂应力状态。此外,利用该模型的高面板堆石坝动力有限元计算结果表明:加筋前后地震加速度和永久变形的分布规律一致。加筋对大坝的地震反应加速度影响较小,却可有效地减小大坝的地震永久变形;加筋对顺河向地震永久变形的抑制作用大于震陷。加筋间距越小,大坝的地震永久变形越小,但地震永久变形的减小幅度逐渐降低。研究成果可为混凝土面板堆石坝的施工设计提供参考。     

筑坝粗粒料单线法湿化变形模型比较

粗粒土的湿化变形是一种普遍现象,对土石坝长期安全运行至关重要。针对已有多种经验公式拟合精度未知问题,对搜集的试验数据进行验证研究。结果表明：(1)各向等压湿化体变与围压用幂函数拟合效果较好;(2)湿化轴向应变与应力水平用指数函数拟合效果较好,指数函数参数与围压呈良好的线性关系;(3)湿化体变采用双线性模型,形式简单且拟合精度较幂线型及六参数型高;(4)湿化剪应变与应力水平呈良好的双曲线关系,与围压相关性较弱。最后,分析了湿化应变与不同应力水平的相关程度,建立了基于改进相对湿化应力水平的湿化应变经验公式。     

堆石料湿化变形特性试验研究

通过室内大三轴单线法对堆石料的湿化变形进行了试验研究,探讨了在不同密度、不同围压、不同应力水平状态分别对堆石料进行浸水后变形特性的规律性研究,根据建议的湿化模型整理了计算参数。试验结果表明:随着围压增大、浸水应力水平提高,堆石料的湿化轴向应变变大,在围压和应力水平增加超过某一范围后,堆石料的湿化轴向应变明显增大。湿化轴向体变随围压浸水应力水平的变化不是很明显。随着堆石料密度的提高,堆石料的湿化变形量产生一定量的减少。     

漳州沿海地区土体的残余变形试验研究

利用DSC2000多功能动三轴试验系统,选取粉质粘土和淤泥两种典型海岸地基土进行残余变形特性试验研究。分析了围压、固结比对残余体应变和残余剪应变的影响,分别整理了沈珠江残余变形模型和改进后修正沈珠江模型参数,并对两种模型参数进行了对比。研究得出:残余体应变随着围压的增加而增大,固结比对残余体应变的影响不是很明显;残余剪应变随初始固结比、围压和动应力的升高而增加;针对沈珠江残余变形模型参数与改进后沈珠江模型参数进行了对比,对模型的剪应变进行修正后的结果将会对数值计算的结果产生比较大的影响。     

堆石料动力残余变形特性试验研究

通过大型动三轴试验,对某水电站土石坝主堆石料的动力残余变形特性进行了试验研究,并结合数据探讨了沈珠江模型的适用性。分析表明沈珠江残余变形模型计算结果与实际结果有时存在较大偏差,不能很好地描述较高动应力情形下的动力残余变形全过程曲线。充分考虑振次和动应力比对残余变形的影响,对沈珠江模型进行了改进,使残余变形与振次的关系更符合实际。不同动应力和围压下堆石料的残余变形实测值和模型计算值对比表明,改进模型对残余体应变和残余剪应变均能较好地拟合。     

基于坝壳湿化过程数值模拟的心墙坝初蓄水力劈裂机理研究

初次蓄水过程中的水力劈裂破坏是土质心墙土石坝面临的最主要安全问题之一。为探索这一难题,回顾了疑似水力劈裂事故及暨有研究尚不能回答的问题,探讨了水力劈裂所需的必备应力条件和可能原因。分析了既有浸水湿化变形试验并建议了采用时间对数演进模式、单位时间湿化体变和湿化剪应变分别取决于围压和剪应力水平的湿化变形时间过程计算模型,并应用于模型坝数值模拟,再现了初蓄过程水力劈裂破坏所需应力条件,得到了顺岸坡方向上后期变形增量空间分布导致心墙拉伸和水力劈裂破坏的机理。最后提出了确保坝壳压实度、控制后期浸水后变形,保证心墙与坝壳后期变形量值和速率协调为核心的水力劈裂防控方法建议。     

粗粒土的湿化变形规律研究

为了研究粗粒土的湿化变形规律,给土石坝蓄水后的变形计算提供依据,在综合分析前人“单线法”湿化试验成果的基础上,将湿化轴向应变分为由围压引起的应变和由偏应力引起的应变两部分,同样也将湿化体积应变分为由围压引起的应变和由偏应力引起的应变两部分,总结相应的规律,提出湿化变形计算公式。然后,结合不同学者的试验数据对文中提出的湿化变形计算公式进行验证。结果表明,堆石料湿化变形计算中,围压引起的湿化轴向应变与围压成幂函数关系,围压引起的湿化体变为轴变的 3 倍,偏压引起的湿化轴变与应力水平成双曲线关系,偏压引起的湿化体变与轴变成比例。通过数据拟合可知,文中提出的湿化变形公式与试验数据符合较好,可用于土石坝湿化变形计算中。     

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。     

堆石料的动力变形特性

本文介绍了新疆吉林台面板堆石坝堆石料的大型振动三轴试验结果，重点研究了堆石料的振动残余变形特性。试验结果表明，堆石体具有相当大的体积收缩特性，如果在堆石坝的地震永久变形中无视这一点，将会带来不可允许的误差。     

尼雅水库坝料动力特性研究及三维地震反应分析

为研究沥青混凝土心墙坝抗震能力,以新疆尼雅水库为例,利用大型三轴仪进行动模量阻尼比和永久变形试验,分析筑坝材料的动力特性,并采用等效线性黏-弹性模型和大工双曲线残余变形模型对坝体进行地震反应分析。结果表明:砂砾料和过渡料的最大动剪切模量比堆石料高4%～11%,而堆石料的最大阻尼比比砂砾料和过渡料高4%～14%;心墙沥青混凝土的最大动剪切模量随着围压和固结比的增大而增大;地震动力反应时,坝体各方向最大位移、加速度和最大永久变形均发生在坝顶处,且顺河向最大位移为0.042 m,最大加速度为4.98 m/s~2,坝体上下游土体顺河向可产生拉应力破坏,心墙最大永久变形发生在坝顶处,坝体的最大沉降比心墙高0.035 m,坝体与心墙协调变形能力较强。结果表明,尼雅沥青混凝土心墙坝"金包银"结构具有良好的抗震性能。     

加筋堆石料的动力残余变形特性

基于堆石料动力大三轴试验结果,分析研究了加筋前后堆石料残余变形的变化规律。结果表明:随着振次的增加,加筋作用开始体现,加筋前后堆石料残余变形差值越来越大;堆石料残余变形随围压和动应力比的增大而增大;加筋3层的加固效果要好于加筋1层,但随着加筋层数的增加,堆石料残余变形减小幅度将逐渐降低;筋材网孔大小对加筋堆石料残余变形的影响较小。此外,构造了指数型经验式,较好地模拟了加筋堆石料残余剪切应变与振次的关系。     

尾矿砂的动力变形及动强度特性研究

通过对某钼矿尾矿砂在不同固结应力状态下进行的动三轴试验，研究了该尾矿砂的动力变形和动强度特性。试验结果表明：该尾矿砂的动应力应变关系可用Hardin等效黏弹性模型描述，模型中的起始动剪切模量和最大动剪应力皆随固结应力比和有效固结围压的增大而增大，这两个参数与有效固结轴压成幂函数关系，且其受固结应力的影响较小。同时，该尾矿砂的阻尼比随动剪应变的增大而增大，有效固结围压和固结应力比的变化对阻尼比与动剪应变关系的影响较小；在不同固结应力条件下，阻尼比与最大阻尼比之比与动剪切弹性模量比的减小量之间在双对数坐标系中呈较好的线性关系。在振动条件下，该尾矿砂达到破坏时对应的动剪应力随有效固结围压和固结应力比的增大而增大，其动剪应力比受固结围压的影响较小，并随固结应力比的增大而减小。     

饱和软黏土应变累积特性及经验模型

为了更加真实地描述地基饱和软黏土在长期交通循环荷载作用下的永久变形特性,借助GDS变围压动三轴试验系统对温州饱和软黏土开展了一系列恒定围压应力路径(CCP)以及变围压应力路径(VCP)下的部分排水循环加载试验,重点分析了循环动应力比(CSR)、应力路径(α)及其长度(L)对饱和软黏土永久轴向应变的影响。试验结果表明:在给定的循环次数(N)下,永久轴向应变随着CSR的增大和α的减小而增大,可分别采用指数函数和对数函数描述永久轴向应变与CSR和α之间的关系。基于试样经历10 000次循环后的永久轴向应变,通过归一化处理发现归一化永久轴向应变(ε^p_{a,10 000}/ε^p,CCP_{a,10 000})与归一化应力路径长度(L/L_CCP)和归一化平均主应力幅值(p^ampl/p^ampl_CCP)之间分别呈对数和线性关系且与CSR无关。进一步构建了考虑CSR、α以及N综合影响的对数型经验模型并对不同应力路径下的永久轴向应变进行了预测,预测结果与实测值呈现出较好的一致性。     

某土石坝心墙料残余变形特性试验研究

采用从英国GDS公司进口的电机控制动三轴试验系统,利用改进沈珠江模型对某水电站心墙堆石坝心墙筑坝材料进行了动残余变形特性的试验研究。试验表明:对天然混合土料而言,试样主要表现为剪切变形;材料的动力累积应变εv、εa和残余应变εvr、γr随着围压力σ3的增减而增减,动应变幅值也随着围压σ3的增加而增大;在相同条件下,随着固结比Kc的增加,材料的累积体应变和残余体应变均减少。     

考虑土料动力特性参数围压依赖性的高土石坝动力反应分析

堆石坝筑坝材料的动力特性参数对围压有较强的依赖性,在高坝动力响应分析中采用某一围压下的参数将导致明显的误差。本文利用非线性静力有限元法确定坝体各单元震前有效围压;然后利用各填筑土料在不同固结围压下的动力试验结果,对坝体内各土体单元按震前有效应力进行线性插值或外延得到各单元动力特性参数随应变幅的归一化曲线,最后,采用动力等价线性有限元法确定坝体的动力响应。经过多种方案计算结果的对比分析,表明综合考虑高土石坝应力分布的特点和填筑土料动力特性参数随应变幅变化规律的围压依赖性可较准确地评价高土石坝等价线性振动体系的加速度、动力特性参数的分布、永久变形等坝体动力响应及抗震性能评价指标。     

循环荷载下红层泥岩土累积变形特性

针对红层泥岩土这种特殊的粒类材料,通过动三轴试验研究其在循环荷载下的累积变形特性。在动荷载不超过临界动应力条件下,红层泥岩土累积应变随循环次数的变化有一定规律性：应变在初期是快速增长,随着循环次数的增加,应变增幅减缓,最终达到稳定,且变形主要发生在前1 000次的循环阶段。基于动三轴试验结果,并考虑土的类型、应力状态、物理性质和循环次数等主要影响因素,提出了一个计算红层泥岩土累积变形的模型。该模型不仅能反映动、静偏应力和静强度的影响,还考虑了围压对累积应变的影响,能较好地反映累积应变的发展规律,而且模型参数具有明确的物理意义。通过达成线红层泥岩路基现场激振试验,验证了该模型的有效性和实用性。     

考虑温度-湿度联合控制的三轴仪研制及初步应用

为研究复杂环境作用下土石坝筑坝材料的力学特性,研制了一种考虑温度-湿度联合控制的三轴仪。此装置通过在内压力室中安装螺旋铜管,连接制冷加热温度循环系统,且设置上、下温度传感器实现对试样温度的控制;通过在内外压力室壁间施加与围压相等的气压,同时在压力罩外壁设预应力卡箍,提高试样体变量测精度;通过增设恒温湿度控制系统,实现温度与湿度的联合控制。对装置的温控系统进行了测试,并给出了温度为5℃和45℃时的体变-围压校核曲线。在此基础上,进行了不同温度下的沥青混凝土三轴试验以及在不同湿度下堆石料的三轴试验。结果表明:该装置控温效果较好,且体变受围压和温度影响较小;所测得的不同温度和湿度下沥青混凝土与堆石料的应力应变关系与现有的类似试验结果基本一致,验证了该装置的可靠性。此外,利用该温度-湿度联合控制三轴仪可进一步开展土石材料在复杂环境变化条件下长期变形特性的研究。     

筑坝堆石料的UH模型修正

对堆石料的UH模型进行了不同应力路径的适应性验证,结果表明,该模型在反映堆石料等比例加载时与试验规律存在一定误差,分析认为,原始UH模型的剪胀特征线假定不符合堆石料的变形规律。文中采用了新的塑性势面将原始的UH模型改进为服从非关联的流动法则,修正后的模型对各个应力路径的预测精度明显提高。按照类似的方式,对堆石料的UH动力模型进行了修正,并将修正后的UH动力模型用于预测花岗岩堆石料在循环剪切荷载下的累计变形现象,模型预测结果与试验规律能够较好吻合。     

堆石料的临界状态探讨

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机理有重要影响。为此,本文对堆石料进行了固结应力从400kPa到4MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,及6组等向压缩试验。结果表明:(1)围压低时颗粒破碎轻微,固结排水时试样剪胀,固结不排水时孔压先增加后稍有降低;围压高时颗粒破碎严重,固结排水时试样剪缩,固结不排水时孔压也是先增加后降低;等向压缩时随着平均有效应力增加颗粒逐渐破碎,但不明显;(2)不同的固结应力时,在排水条件和不排水条件下试样都趋于临界状态;(3)堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。最后提出了堆石料的临界状态的数学描述并较好地验证了试验结果。