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。     

堆石料注浆技术及注浆后力学性质试验研究

采用自密实砂浆对砂岩堆石料进行现场注浆试验,验证堆石料注浆扩散范围的可控性及注浆技术的可行性;该注浆技术施工简单,注浆后堆石料之间形成砂浆胶结结构,减小了堆石料的孔隙率,改善了堆石料的力学性质。同时开展了室内静力大三轴试验,对比分析了注浆前后及不同级配特征情况下注浆堆石料的力学特性;研究了围压、粗颗粒含量对注浆堆石料力学性质的影响,讨论了不同围压、不同级配特征堆石料的强度参数和变形特征。试验表明,注浆极大提高了堆石料抵抗变形的能力;粗颗粒含量越高,骨架作用越显著,注浆后能形成相对稳定的胶结结构,堆石料的强度参数越高,抵抗变形的能力越好。     

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。     

面板堆石坝坝料力学性质试验研究

宜兴抽水蓄能电站初步设计为面板堆石坝。进行室内试验，研究堆石料的物理力学性质与级配，密度，泥岩含量的关系。试验结果表明，堆石料的最大干密度需用振动台试验获得，压实堆石料具有强透水性，低压缩性，破坏应变低，抗剪强度高，各料场级配石料均能够作为面板堆石坝的筑坝材料。在进行了不同级配和泥岩含量的堆石料试验基础上，统计分析了各力学参数与泥岩含量的关系。     

缩尺效应对粗粒料压实密度影响的试验研究

堆石料的级配缩尺后的试验替代料与原级配料的试验结果之间存在一定的差异,弄清这种差异对准确把握原级配堆石料的力学性质十分重要。将缩尺效应归结为最大粒径和级配结构两部分变化产生的影响。利用土的连续级配方程结合相似级配法缩尺的思路,设计了大量最大粒径分别为20,40和60 mm的试验级配。对各级配粗粒料进行了表面振动压实试验,研究了最大粒径和级配结构对粗粒料压实密度的影响。最大粒径和级配结构对粗粒料压实密度的影响可以用一定的函数形式定量表述,建立了考虑缩尺效应的粗粒料压实密度的预测模型,探讨了该模型对不同性质粗粒料的适用性,并用多组室内最大干密度试验数据进行了验证。此外,提出了一种能够定量研究粗粒料缩尺效应的思路。     

堆石料的剪切强度与应力-应变特性

通过对堆石料的大型三轴剪切试验结果进行分析,揭示了堆石料的强度及应力–应变的变化规律,堆石料的强度包络线呈非线性,应力–应变曲线多呈现软化型或弱硬化型。并对邓肯模型的修正及其模型参数试验值的变化规律进行了讨论。     

堆石料的剪切强度与应力–应变特性

通过对堆石料的大型三轴剪切试验结果进行分析，揭示了堆石料的强度及应力–应变的变化规律，堆石料的强度包络线呈非线性，应力–应变曲线多呈现软化型或弱硬化型。并对邓肯模型的修正及其模型参数试验值的变化规律进行了讨论。     

堆石料变形参数的粒径尺寸相关性研究

堆石料变形参数的尺寸效应直接影响土石坝的变形预测,关系土石坝防渗体的变形协调,也是当前高土石坝的关键技术难题。基于前人的研究成果,根据不同尺寸试样之间的应力应变转换关系,推导了邓肯–张E–B模型各个参数与粒径的相关性。结果表明堆石料这类易破碎材料可以根据颗粒强度的粒径相关性和缩尺样的应力–应变曲线预测大尺寸试样的应力–应变关系。在邓肯–张模型中,尺寸效应较为明显的参数有φ0,K和Kb,参数Rf,n和mb是无粒径尺寸效应或尺寸效应不明显的参数。通过对比不同尺寸试样的邓肯–张模型参数的试验结果,进一步验证了该规律的合理性。     

基于超大型三轴仪的堆石料缩尺效应研究

对某一爆破筑坝堆石料开展了试样直径1m(最大粒径为200mm)的超大型和试样直径0.3m(最大粒径为60 mm)的常规大型三轴固结排水剪切试验,研究了平行相似级配条件下最大粒径对应力–应变关系、颗粒破碎、特征应力状态、割线模量及邓肯张E-B模型参数的影响。试验结果表明:(1)大型三轴试验的峰值内摩擦角大于超大型三轴试验,并且峰值应力处的轴向应变小于超大型三轴试验;(2)大型三轴试验的相变应力比大于超大型三轴试验,并且相变处的体变及轴向应变均小于超大型三轴试验;(3)大型三轴试验的颗粒破碎率小于超大型三轴试验,但二者平行粒组的变化规律相同;(4)大型三轴试验在应力水平50%处的割线弹性模量及割线体积模量均大于超大型三轴试验。大型三轴试验的邓肯张E-B模型参数k,kb分别是超大型三轴试验的1.22倍、1.38倍。研究成果可为建立考虑缩尺效应的堆石料本构模型和分析土工构筑物变形提供重要的试验依据。     

堆石料的亚塑性边界面模型及其验证

 基于高莲士教授针对天生桥面板堆石坝灰岩所进行的堆石料在不同应力路径下的大型三轴试验结果, 提出亚塑性理论边界面模型参数的简捷确定方法。通过编制调参程序, 对堆石料典型三轴试验进行数值模拟, 与试验成果的对比表明, 模型能较好地反映各种复杂加载路径下堆石料变形性状。进而对恒应力比转折、恒应力比加卸载、平面应变试验等土体单元可能出现的复杂应力路径进行了预测, 对深入了解高围压下摩擦型材料的屈服及应力路径相关等特性具有一定意义。同时合理的模型参数为进行面板堆石坝的变形预测和数值仿真模拟奠定了基础。     

Unified modeling behavior of rockfill materials along different loading stress paths

Rockfill materials used for dam construction show obvious stress path dependency during construction process. The constitutive model for rockfill materials are mainly established based on conventional triaxial test. This brings some deviation to the numerical calculation for earth rockfill dam engineering, and it is necessary to develop a constitutive model considering stress paths effect. In the framework of generalized plasticity, plastic modulus can be expressed as the function of dilatancy equation and tangent modulus, hence the influence of stress paths on model can be transfer to the dilatancy equation and tangent modulus. This leads to a new method to describe stress-strain response of rockfill under various loading stress paths. Based on the analysis of large-scale triaxial experiments of rockfill materials with various stress paths, we proposed new dilatancy equation and tangent modulus to better describe stress paths effect and corresponding modified generalized plasticity model is established. Through the prediction and comparison of three groups of rockfill materials triaxial tests, the model established in this paper can simulate behaviors of rockfill materials under various stress paths, using only a set of parameters.     

基于广义塑性理论的堆石料动力本构模型研究

分析了堆石料在等幅与不等幅应力循环荷载作用下的变形特性,以此为基础,确定了不同加载过程中堆石料的剪胀方程,加载方向,切线模量及塑性模量,建立了一个可以考虑堆石料循环加载特性的广义塑性本构模型.模型将所有的加卸载阶段都视为弹塑性过程,并在剪胀方程中引入老化函数来考虑体积应变积累对剪胀(缩)性的影响.模型共有12个参数,均可通过常规室内单调及循环加载试验确定.为验证模型的有效性,依据试验资料确定了两种不同堆石料的本构模型参数,并对等幅循环三轴压缩与不等幅循环三轴压缩试验进行了模拟.两种材料在不同围压下的模型预测结果与试验数据均吻合良好,表明模型可以有效地反映循环荷载作用下堆石料应力应变曲线的滞回特性与永久变形的积累.     

堆石体应力变形的尺寸效应研究

 首先,基于前人的室内试验数据和随机散粒体不连续变形(SGDD)模型数值试验成果分析尺寸效应对堆石体瞬时变形的影响,结果表明：不考虑堆石体蠕变效应时,在相同的应力状态下,大尺寸试样的抗剪强度及抗变形能力均较小尺寸试样有所提高,表现出更“硬”的特点;其次,分别在尺寸为f50 cm×100 cm(颗粒最大粒径为10 cm)和f30 cm×60 cm(颗粒最大粒径为6 cm)的应力式三轴仪上进行堆石体蠕变试验,研究堆石体蠕变的尺寸效应,结果表明,尺寸效应对堆石体蠕变特性的影响显著,大尺寸试样的最终蠕变量明显大于小尺寸试样,而尺寸效应对蠕变速率因子λ的影响并无明显规律;最后,综合分析尺寸效应对堆石体总变形(瞬时变形+蠕变变形)的影响,从总体上看,大尺寸试样的总变形大于小尺寸试样。     

堆石料流变的黏弹塑性本构模型研究

堆石坝流变变形主要是堆石料在环境因素作用下的劣化和高接触应力下的颗粒破碎重排引起的。在等向压缩方程中引入反映堆石料颗粒强度的固相硬度参数,选用双曲线型式的固相硬度衰减模型,以反映堆石料颗粒强度随时间劣化的特性;在分析堆石料流变试验结果的基础上,建立了流变变形的双曲线型流动准则;推导了流变变形的计算公式,并构建了流变模量表达式,从而建立了一个可统一考虑加载与流变过程的堆石料黏弹塑性本构模型。通过模拟两种典型堆石料的流变试验资料验证了模型的有效性。     

宽围压加卸荷条件下特高坝填筑料强度变形研究

开展大型三轴试验,系统研究了特高坝堆石料和砂砾石填筑料在宽围压加卸荷条件下的强度变形特性。结果表明:相比堆石料,砂砾石料在低应力条件下的强度低,采用砂砾石填筑的大坝应防止坝坡浅层失稳。围压对强度指标和邓肯模型变形参数均具有重要影响,对于特高土石坝,宜根据应力分布情况分段采用不同的强度指标和变形参数,以提升坝体结构应力变形计算精度和提高工程安全性。卸荷—再加载循环内,均产生了正值的轴向变形和体积变形,循环结束后,应力-应变、体变-应变曲线均回归至原有的正常加载形态;在卸载段,低围压、低应力水平条件下往往表现为体胀,随围压和应力水平的提高,主要表现为卸荷体缩;在再加载段,无论围压大小还是应力水平高低,均主要表现为体缩。随围压的提高,回弹模量与初始切线模量之比增大;同一围压下,随应力水平的提高,回弹模量变化不大,略有降低的趋势;大石峡工程高填筑标准砂砾石料和堆石料K_ur/K约1.98~2.22,但指数n_ur要远大于n;对于那些特高坝和高坝而言,有限元计算时假定n_ur=n是不太适宜的,应开展回弹模量试验研究。     

堆石在平面应变条件下的强度和应力-应变关系

应用大型平面应变仪,进行了灰岩及细砂岩两种堆石的风干料及饱和固结排水平面应变试验。试验结果表明:1.堆石在平面应变条件下的强度比三轴试验强度高;2.饱和试样强度低于风干料试样强度;3.平面应变条件下的应力-应变关系与三轴试验结果相比较,差别较大,前者呈明显的应变软化特性;4.平面应变条件下堆石泊松比基本上是一常数,而且小主应力σ₃对它影响较小。     

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。     

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。     

三轴循环荷载下页岩变形及破坏特征试验研究

前期工作已经研究了含裂隙页岩在单轴循环荷载下的变形及破裂特征,为进一步认清围压与循环荷载耦合作用下的变形及破坏特征,利用MTS815.03岩石刚性压力机展开了对含裂隙页岩的三轴循环加卸载试验研究。试验结果表明:在三轴循环荷载下,含裂隙页岩的破坏形式主要为混合破坏,呈现出拉剪贯通模式;随围压逐渐增大,页岩的峰值强度呈线性增大,完整页岩经11周加卸载循环后,峰值强度增大9.98%~25.03%;而含裂隙页岩经15周加卸载循环后,峰值强度增大1.47%~6.98%;含裂隙页岩在同一循环内的弹性模量大于变形模量,卸载弹性模量大于加载弹性模量,卸载变形模量大于加载变形模量,并且损伤面积系数F越大,卸载弹性模量与加载弹性模量的差值也越大;随循环加卸载次数逐渐增加,加载变形模量与卸载变形模量呈先增大后单调减小的规律,加载弹性模量与卸载弹性模量表现出先增大,后逐渐呈"波浪式"减小的规律,剧烈波动的弹性模量是内部结构不断发生局部调整的有效证据。该研究为揭示在围压与循环荷载耦合作用下含裂隙页岩破坏形成复杂裂缝网的发展机理提供了有益参考。