高应力下粗粒土颗粒破碎单向压缩试验研究

为探究高应力下粗粒土颗粒的破碎规律,采用改进的单向压缩仪对不同粒组粗粒土试样进行高应力水平下的颗粒破碎试验,定量分析了粗粒土颗粒破碎规律及试样孔隙比变化规律,并对粗粒土破碎机理进行了初步分析。结果表明:粗粒料颗粒破碎率与颗粒大小、轴向应力及粒径级配有关;粗粒土颗粒破碎存在临界应力,应力超过临界应力后才发生显著的颗粒破碎;粗粒土颗粒破碎实质上是土体中裂隙发展,土体强度低于临界应力,裂隙贯穿土颗粒形成的。     

循环荷载作用下粗粒料颗粒破碎数值模拟分析

基于二维颗粒流程序建立颗粒破碎模型,开展粗粒料循环荷载作用下的颗粒破碎数值模拟研究,分析初始应力状态对粗粒料颗粒破碎的影响。数值模拟结果表明,初始应力状态对颗粒破碎影响较大,颗粒破碎率随着围压的增大而增大;相同围压条件下,动应力引起的颗粒破碎率随着固结应力比的增大而减小;竖向总应力相等条件下,颗粒破碎率随着固结应力比的增大而增大;颗粒破碎不仅发生在加载阶段,在卸载阶段也会有少量的颗粒破碎发生;在一个循环荷载加载周期内,随着循环荷载的施加,颗粒破碎率先缓慢增加,再急剧增加,最后趋于平缓;随着循环周次的增大,试样内部的颗粒破碎率先增加,后趋于稳定。     

考虑缩尺效应粗粒料单向压缩湿化变形试验研究

以双江口堆石坝主堆石料设计级配为原型,利用单向压缩仪,考虑不同缩尺方法和颗粒最大粒径,对某不同级配粗粒料进行了固定竖向荷载下的湿化变形试验研究。分析试验结果,讨论了不同缩尺方法对粗粒料试验结果的影响,探讨了在单向压缩试验条件下粗粒料的湿化变形规律。发现湿化后试样变形随压力增加呈线性增长,其弹性模量Et较干态粗粒料小。同时还讨论了颗粒破碎的影响因素,粒径越大越易发生破碎,破碎率和粗粒料的级配有关。     

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。     

粗粒土应力腐蚀蠕变影响因素的离散元分析

为探寻细观参数对蠕变的影响规律,基于应力腐蚀理论,编写了考虑颗粒破碎的粗粒土蠕变的ＰＦＣ５．０应力腐蚀程序命令流,探讨了接触模型和应力腐蚀模型细观参数对蠕变的影响规律及其敏感性,并基于室内蠕变试验结果进行了参数标定。结果表明:接触模型参数中,颗粒摩擦系数和胶结键粘结强度敏感性较强,颗粒刚度和密度敏感性较差,粗粒土颗粒表面摩擦和抗拉强度越大蠕应变越小;应力腐蚀模型中,激活应力对粗粒土的蠕变有显著影响,随着激活应力的增大,颗粒破碎量急剧减少,蠕应变减小;材料参数β１和β２均对粗粒土蠕变有较大影响,蠕应变随着β１和β２的增大而增大。基于应力腐蚀理论进行考虑颗粒破碎的粗粒土蠕变的离散元分析是可行的,标定的模型细观参数可作为粗粒土颗粒破碎蠕变机理进一步研究的基础。     

粗粒土二维模型试验研究

 粗粒土是土石坝的主要填坝材料,其力学特性研究是土力学热点之一,一般采用三轴试验来研究粗粒土的力学性质,由于试验方法的限制,很难观察到三轴试验过程中颗粒的运动。为了获得试验过程中颗粒的运动规律,研究粗粒土的细观变形机理,设计并开展了粗粒土二维模型试验。二维模型试验过程中可以清楚地观察到颗粒的运动,能定性地分析试样的受力变形特征。试验结果表明：①峰值偏应力随侧压力的增大而增大,峰后略有软化现象,体变随应变的发展先剪缩后剪胀,侧压力越小剪胀性越明显;②抗剪强度包线呈很好的线性关系;③颗粒破碎率随侧压力的增大而增大,在很小的侧压力下,就有颗粒破碎发生;④试样破坏时有较明显的剪切带。模型试验的上述规律和三轴试验成果具有很好的一致性,说明二维模型试验能够反映三轴试验过程。     

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。     

粗粒土三轴制样过程中的颗粒破碎特性

粗粒土在制样和加载的过程中常常会发生破碎,目前大多数室内试验研究均集中在对粗粒土加载过程中破碎特性的描述,而忽视了其制样过程中颗粒破碎的影响。为此,采用2种不同级配的粗粒土分层击实制样,分析其在不同相对密度条件下的制样破碎特性。研究发现:粗粒土在制样过程中存在一定程度的颗粒破碎现象,较大颗粒破碎较为显著;但无论初始级配如何,粗粒土制样过程中的颗粒破碎率都随着制样相对密度的增大而增大。     

基于离散元法研究颗粒球度对粗粒土抗剪强度的影响

粗粒土颗粒形状是决定其宏观力学性质的主要影响因素之一。为探究粗粒土颗粒形状对其抗剪强度特性的影响规律,以不同颗粒形状的3种粗颗粒土为研究对象,利用离散元数值分析手段,以球度指标为量化参数,研究了颗粒形状对粗粒土直剪试验过程中应力、位移变化及宏观抗剪强度的影响,并分析了抗剪强度参数的变化规律。同时通过室内直剪试验双向验证所揭示规律的可靠性。研究结果表明:法向荷载相同时,随着球度的减小剪应力越过峰值应力后的应变软化现象越明显,同时其峰值应力、位移及残余强度均逐渐增加;球度相同时,随着法向荷载的增大其峰值应力、位移和残余强度均呈规律性递增。黏聚力和内摩擦角随着球度的减小而增加,球形颗粒的黏聚力明显小于其它两种球度的颗粒。     

土与结构接触面等应力增量比路径单剪试验力学特征分析

利用大型单剪仪(DHJ-30)进行含砾粗砂与结构物接触面的等应力增量比路径单剪试验,研究加载路径及初始法向应力对接触面物理力学性质的影响。研究结果表明,土与结构物接触面的破坏强度与加载路径无关,破坏与否与加载路径相关,只有加载路径与抗剪强度包线相交才会发生破坏;初始法向应力一定时,加载应力增量比越小则剪应力~切向位移关系曲线初始阶段的切向劲度系数越大,法向压缩量峰值越大,最终剪胀量越小;加载应力增量比一定时,初始法向应力越大则剪应力~切向位移关系曲线初始阶段的切向劲度系数越大,法向压缩量峰值越大,最终剪胀量越小。     

重塑黏性土及不同砂砾含量土体的起动试验研究

应用冲蚀函数测定仪开展了两种重塑黏土及其砂砾含量分别为20%、40%、60%条件下的起动试验,研究了黏聚力、干密度、砂砾粒径及掺量对土体起动应力的影响。试验结果表明:纯黏性土的起动应力与黏聚力呈线性关系,但两种黏土的斜率变化较大;两种黏性土的起动应力与干密度的关系可统一用指数型表达式确定;不同砂砾含量土体的起动应力与黏性土的黏聚力、砂砾粒径和掺量有关;砂砾粒径一定时,随着掺砂砾量的增加,混合体的起动应力呈先增加后降低的趋势,而砂砾含量一定时,起动应力随着砂砾粒径的增加而增加。最后,提出了重塑黏性土-砂砾混合土体的起动应力表达式。与试验结果的对照表明,该公式可较好地对黏性土-砂砾混合体的起动应力进行预测。     

考虑缩尺效应对颗粒破碎影响的堆石料临界状态研究

堆石料缩尺后的替代料与原级配料的强度变形特性存在差异,揭示这种差异对堆石料工程运用具有重要的科学价值。采用相似级配法和混合法对弱风化灰岩料进行缩尺,缩尺后堆石料最大粒径分别为60、40、20、10 mm,通过三轴固结排水剪切试验进行缩尺后替代料的应力变形特性研究,分析了缩尺方法和试样最大粒径对堆石料临界状态及临界状态方程的影响。结果表明:最大粒径相同的条件下,混合法缩尺后试样体积变化量大于相似级配法缩尺试样,而两组试样在q-p′平面上的临界状态线几乎重合;引入分形维数描述颗粒破碎过程,颗粒破碎分维值随着围压的增大而呈幂函数增长,且与最大粒径的大小有关;在e-lgp′平面建立了考虑颗粒破碎的临界状态线方程,并给出了各参数的确定方法。研究结果为进一步构建考虑缩尺效应的堆石料临界状态本构模型提供了一种思路。     

含石量对砂卵石土的颗粒破碎及强度与变形的影响研究

为探究含石量对不同围压下砂卵石土的颗粒破碎及抗剪强度与变形特性的影响,利用室内大型三轴试验仪开展了固结排水剪切试验。试验设计了0~100%之间5级含石量,在0.5 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa三种不同围压条件下进行固结排水三轴剪切试验。基于试验结果,分析了含石量及围压对砂卵石土抗剪强度和剪胀、剪缩特性的影响,并分析了相应的颗粒破碎情况。试验结果表明,在相同含石量下,砂卵石土抗剪强度随着围压的升高不断增加,体变初期表现为明显剪缩,之后剪胀性随围压升高而降低,颗粒破碎率随围压升高而增加;在相同围压下,含石量在50%~75%时,颗粒破碎率最大,并出现最大抗剪强度,而围压越高,试样剪胀越不明显。     

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.     

颗粒形状及级配对粗颗粒土休止角的影响

为了准确且方便地测量粗颗粒土的休止角,研制了一种基于旋转容器法的粗颗粒土休止角测定仪。利用此装置,对2种粗颗粒土分别进行了15种级配下的休止角试验,并研究了颗粒形状和级配对粗颗粒土休止角的影响。试验结果表明:对于级配相同、颗粒形状不同的粗颗粒土,颗粒呈棱角状砾石料的休止角大于颗粒圆滑的卵石料,不同最大粒径下砾石料的休止角平均值比卵石料高1.3°~2.0°;对于颗粒形状相同、级配不同的粗颗粒土,休止角随最大粒径的增加而增大,最大粒径为20~40 mm时,休止角平均值增长曲线平缓,最大粒径为40~60 mm时,休止角平均值增长速率明显变快;休止角随平均粒径的增大而减小,随不均匀系数的增加而增大。     

不同正压力下钙质砂颗粒剪切破碎特性分析

钙质砂受力后易产生颗粒破碎,从而使其力学性质发生变化。对取自我国南沙某岛礁的钙质砂样进行了不同正压力下的直剪试验。分析了钙质砂颗粒剪切破碎特性,并就不同试验压力下剪切后钙质砂样的颗粒破碎程度通过筛分试验进行了粒径级配分析。结果表明,在不同正压力下进行直剪试验,钙质砂存在一定的颗粒破碎现象,随着正压力增大,颗粒破碎越来越严重;由于钙质砂颗粒破碎的影响,剪切后钙质砂的颗粒级配性质发生改变,随正压力增大钙质砂由级配良好逐渐变得级配不良。钙质砂直剪试验强度包络线为峰值强度包络线,而非残余强度包络线。钙质砂残余强度的摩擦角数值等于或接近砂的天然休止角。从工程安全角度考虑,选用钙质砂的内摩擦角应等于或接近天然休止角。     

小湾水电站坝区高正应力岩体抗剪试验研究

简述了小湾电站坝区高正应力岩体抗剪试验，以及高正应力条件下抗剪试验出现的问题和解决方法。分析了高正应力条件下岩体抗剪强度的特征。试验结果表明高正应力峰值抗剪强度的摩擦系数ｆ‘值比低正应力条件时有所降低，而凝聚力Ｃ’值却提高较多。由此说明：试验成果的使用应与成果相对应的实际正应力范围相一致，否则将产生较大误差。     

土工合成材料与砂土界面摩擦特性分析

三向土工格栅作为一种新型土工材料已广泛应用于工程实践中,但其理论研究相对落后于实践。通过大型直剪仪,研究了不同强度的单向土工格栅、双向土工格栅、三向土工格栅、玻纤土工格栅和土工布与砂土界面在直接剪切时的相互作用特性,对比分析了上述5种土工合成材料在不同法向应力及剪切速率下的摩擦性能。结果表明,三向土工格栅与砂土界面的剪应力随着剪切速率的增加而减小,在同一法向应力下,三向土工格栅的剪切应力值明显大于单向和双向土工格栅。     

基于环剪试验的滑带土抗剪强度特性研究

以某水电站下游一大型滑坡千枚碎屑岩滑带土为研究对象,在室内模拟滑带土所受的天然状态条件,利用环剪仪研究了滑带土重塑样在不同法向应力与剪切速率下的抗剪强度特性。试验结果表明:滑带土的峰值强度和残余强度均随法向压力的增大而增大且有较强的线性关系,同时法向压力越大,试样达到残余强度所需要的剪切位移也会越小;剪切速率越大,滑带土的峰值强度也会越大,同时达到残余强度所需要的位移也会越大,但剪切速率大小对残余强度几乎没有影响,峰值强度参数与剪切速率之间可用对数关系拟合;剪切速率对滑带土的剪切面形态也有重要影响。