堆石料颗粒破碎特性及Wan-Guo硬化法则的修正

高应力下超高堆石坝坝料的颗粒破碎特性是当前研究的热点问题。取已建成的世界最高面板堆石坝——水布垭坝的筑坝堆石料为试验料,进行了轴向应变达25%的三轴固结排水试验,得到了31组试验的高质量试验数据。在此基础上,统计分析得出临界状态剪应力q与平均主应力p呈幂函数关系、颗粒破碎率B_r与围压σ_3呈幂函数关系、临界状态应力比M_f与围压σ_3呈对数函数关系。试验揭示了在高–超高围压下堆石料发生了较显著颗粒破碎,堆石料粒径变小、颗粒级配改变导致其剪应力–轴向应变试验曲线下弯。因此高围压下堆石料的临界状态判断标准应为"体应变不变",而不再是"剪应力不变"。最后引入破碎因子项,修正了Rowe剪胀方程的Wan-Guo硬化法则。     

应力路径条件下堆石料剪切特性大型三轴试验研究

依据宜兴抽水蓄能电站上库主坝主堆石料原型级配,联合采用相似级配和等量替代的级配模拟技术制备大型三轴试样,利用YS-30型应力路径大型试验机开展应力路径条件下堆石料剪切特性大型三轴试验研究.研究结果表明:应力路径与固结应力共同作用,成为影响堆石料剪切特性的主要外部因素.堆石料抗剪强度具有显著的非线性特征,而应力路径对其抗剪强度影响极小.随着σc与k的增加,应力-应变关系由低压应变软化、高压应变硬化型向完全应变硬化型转变;体积应变关系由低压剪胀、高压剪缩型向完全剪缩型转变;随着应力比k的增加,堆石料塑性变形性质逐渐由剪切塑性变形变化为主转变为压缩塑性变形变化为主,破坏形式则由剪切破坏转变为压缩破坏.堆石料剪胀剪缩转化关系由临界应力比kcrit与临界固结应力(σc)crit共同决定.     

循环荷载下堆石料应力变形特性研究

基于不同堆石料的多组大型静、动三轴试验,揭示了堆石料的特殊应力变形特性。试验发现,基于Rowe应力剪胀理论所建立的堆石料本构模型将明显低估堆石料的剪缩特性。堆石料的破坏和剪胀线在p-q面上并不是一条直线,剪胀线Md向左上方翘曲,而破坏线Mf则向右下方微曲,随着应力水平的提高,剪胀线Md逐渐接近甚至超过破坏线Mf。动应力和围压之比越大,堆石料的永久剪切和体积变形越大;随着固结应力比的增大,堆石料的永久剪切变形增大,体积变形减小;循环荷载的前几周,堆石料的永久剪切和体积变形的增加较标准砂大,随着循环荷载周数增加,堆石料硬化现象也较标准砂明显。在振动过程中,不论是何种岩质和级配的堆石料一直表现为体积收缩,未出现剪胀;堆石料在固结、静力三轴剪切和振动三轴试验过程中均产生明显的颗粒破碎,颗粒破碎率的大小与堆石料的母岩、级配以及围压等因素相关。围压增大,静力三轴剪切引起的颗粒破碎率随之增大,而单纯由振动三轴试验引起的颗粒破碎率则相应降低。堆石料的颗粒破碎,使其剪胀性降低,剪缩性增大,堆石料所表现出的特殊破坏和剪胀规律显然与其颗粒破碎密切相关。堆石料筑坝材料经先期循环荷载作用后,再次经受循环荷载作用时,其抵抗变形能力明显提高。     

考虑应力路径和颗粒破碎影响的钙质砂剪胀特性及剪胀方程研究

钙质砂的剪胀特性受应力路径和颗粒破碎的共同影响。为了探讨钙质砂在不同应力路径下的剪胀特性,进行了一系列不同固结压力和应力路径组合的排水三轴压缩试验。结果表明:应力路径和颗粒破碎对钙质砂的剪胀特性有重要影响。不同应力路径下钙质砂的剪胀比与应力比的关系存在显著差异。相同应力比下的剪胀比,等围压试验的最大,等轴向应力试验的最小,等平均主应力试验的居中。峰值应力比对应的剪胀比随峰值应力比的增大而减小且为线性关系,随颗粒相对破碎率的增大而增大并近似呈幂函数关系,应力路径对这些关系的影响不大。忽略应变软化阶段的剪胀比与应力比相关的参数大致呈线性关系,其直线斜率与应力路径和固结压力相关。基于试验结果,提出了一种与应力路径和颗粒破碎相关的剪胀方程并进行了试验验证,显示出剪胀方程对不同类型的粒状土均具有较好的适应性。     

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.     

堆石料剪胀特性大型三轴试验研究

基于不同初始孔隙比e0和不同固结压力σc情况下筑坝堆石料大型三轴固结排水剪切试验,分析了堆石料应力应变关系与体积应变关系以及剪胀率ζ与塑性剪应变εsp关系的变化规律。研究表明:对于颗粒级配确定的堆石料,剪胀剪缩转化关系由临界初始孔隙比(e0)crit与临界固结压力(σc)crit共同决定;堆石料破坏时的剪胀率ζf可以成为材料剪胀性的判断标准。通过试验数据非线性拟合分析,提出了堆石料应力应变关系与塑性体积应变关系的统一表达式以及初始物理力学状态依赖的应力-剪胀方程和破坏时剪胀率ζf表达式,并由此获得了堆石料剪胀剪缩转化的判断准则。     

原状饱和黄土的应力-应变特性及其归一化研究

原状饱和黄土由于特殊的物理性质,其应力-应变关系具有一定的离散性。通过对原状饱和黄土的固结不排水剪试验得到其应力-应变关系,并对其进行归一化处理。归一化处理中分别选围压σ_3、σ_3~n、主应力极限值(σ_1-σ_3)_(ult)作为归一化因子,结果表明:原状饱和黄土以主应力极限值(σ_1-σ_3)_(ult)为归一化因子的归一化效果较好。对原状黄土的归一化研究可以应用于更多的实际工程的室内土工试验中,以寻求对原状土更好的分析方法。     

堆石料强度和变形特性数值模拟

 大型三轴试验结果表明,堆石料在剪切过程中具有明显的应变软化和剪胀特性,其应变软化和剪胀与否取决于土样本身的密度与应力状态：密度越大,围压越低,其应变软化和剪胀性就越明显。通过引入无黏性土的状态相关剪胀理论,对具有不同密实度的堆石料在三轴固结排水剪切过程中的强度和变形特性进行模拟,并与邓肯–张E-B模型和南水模型的模拟结果进行对比,发现该理论仅需一组材料参数就能够较好地反映堆石料的应变软化和剪胀特性。     

堆石料加载与流变过程中塑性应变方向研究

确定塑性应变增量方向是建立土体弹塑性本构模型的核心之一,弹塑性理论中通常假定塑性应变增量方向仅与应力状态有关,与应力增量无关。流变试验是一种应力状态恒定的特殊试验,应力增量为零,所有应变均为塑性变形。研究流变过程中塑性应变方向与应力状态的关系及其与加载过程中塑性应变方向的差异,对于建立土体弹塑性本构模型具有重要价值。通过对某抽水蓄能电站筑坝堆石料的大型三轴压缩试验和三轴流变试验,分别研究了加载和流变过程中剪胀比与应力比之间的关系。结果表明,三轴压缩和三轴流变过程中,堆石料的剪胀比均随着应力比的增加而减小,且相同三轴压缩应力状态下,堆石料的流变剪胀比明显大于加载剪胀比,即流变过程中堆石料剪缩性比三轴压缩过程中的剪缩性更为强烈。因此,采用相同的塑性势函数同时确定加载塑性应变方向和流变黏塑性应变方向是不恰当的,建立考虑堆石料流变的弹塑性模型时应该选用不同的应力剪胀方程或塑性势函数。     

常压至高压下中砂剪切特性及应力–剪胀关系

为研究高围压范围内砂土相对密实度和围压对土体强度和变形特性的影响,对3种不同相对密实度砂土试样在常至高围压下进行常规三轴固结排水剪切试验,获得偏应力–轴向应变–体应变关系曲线,同时进行颗粒破碎分析。结果表明:在常至中压范围(0.8 MPa≤σ_3≤2 MPa),应力–应变曲线均表现出不同程度的应变软化,其剪胀性随相对密实度增加和围压的降低而增强;当进入高围压范围时(σ_32 MPa),应力–应变曲线逐渐向应变硬化型转变,试样体积逐渐趋于剪缩。颗粒破碎程度随着围压和密实度的增大而增大,在高围压时由于中密和密砂剪切后期出现了明显的颗粒破碎,导致剪切过程中出现了二次相变。不同密实度土体的破坏内摩擦角和对数围压表现良好的线性关系,拟合确定了破坏内摩擦角随对数围压增加的衰减率,同时基于Bolton应力–剪胀关系拟合确定了试验砂土的临界状态内摩擦角,建立了剪胀指标与初始相对密实度及平均有效应力的关系式,为高压情况下砂土地基稳定性分析等提供强度参数。     

咸池沟弃渣场渣体大型三轴试验研究

结合咸池沟弃渣场地质条件与现场工况,通过饱和试样大型三轴试验,分析了渣体材料在不同围压下应力—应变关系特性、变形特性以及抗剪强度特性。试验结果表明：该渣体材料不同于一般堆石料,其在轴向压力作用下无明显应变软化特性;随围压增大,渣体由剪胀逐渐过渡到剪缩,且在低围压下,渣体剪胀性在不同应力水平时表现不同;围压较低时,经典线性摩尔—库伦模型仍然适用于该渣体强度分析,但设计数据偏于保守;在高围压下应建立非线性强度模型。在试验分析和理论研究的基础上,认为有必要开展应力路径与应力历史对渣体材料力学特性影响的研究,为依托工程的设计及后期防护奠定理论基础。     

筑坝土石料的统一广义塑性本构模型

室内三轴试验资料的分析表明：与砾石土心墙料不同,密实堆石料、砂砾料的破坏应力比,随围压的增长出现明显降低;而反映坝料剪胀特征的应力比,随着围压的增长基本不变。根据试验资料,建立了描述土石料剪胀状态和破坏状态的统一应力表达式;针对现有广义塑性模型不能合理反映土石料压缩性的问题,采用改进剪胀方程,利用室内压缩试验和三轴剪切试验成果,构造弹性和塑性模量,提出了一个可以考虑土石料复杂加载特性的实用的统一广义塑性本构模型;将上述模型编制程序,模拟土石料的试验加载,得到预测值与试验数据吻合良好,可较好反映筑坝土石料的应力变形特性。     

基于大型真三轴试验的砂砾石料强度–剪胀特性研究

为了揭示中主应力系数和应力水平对苏洼龙水电站坝基覆盖层砂砾石料的强度与变形特性的影响规律,结合一种微摩阻加载技术,开展一系列大型真三轴试验。在广义应力框架内讨论该砂砾石料的应力、强度和剪胀问题。结果表明:首先,对于该砂砾石料,内摩擦角随中主应力系数增加而增大,随应力水平提高而减小。3个经典强度理论中,Lade-Duncan准则的预测结果与试验结果更为相符,但当b值较大时,预测结果仍偏低估计了实际的内摩擦角;其次,随着中主应力系数b值增加,应力路径的斜率变缓,同时所达到的峰值强度提高,但峰值强度对应的q/p(q,p分别为广义偏应力和平均主应力)应力比越小,表明在单位平均主应力水平下所能发挥的最大强度减小。总体而言,剪胀角随应力水平增加而减小,亦随b增加而减小。     

土的基本特性及本构关系与强度理论

土的基本特性及本构关系与强度理论是土力学及岩土工程学科的重要理论基础之一。本 文针对饱和黏土、砂土及堆石料等粗粒土,总结了这三类土在基本力学特性及本构强度理论方 面的研究现状和发展趋势。饱和黏土部分主要包括压缩特性、剪切特性—临界状态及剪胀/剪缩 、结构性及其破坏、中主应力影响、各向异性及主应力偏转效应、不排水抗剪强度、流变特性 、微观力学解析模型等;砂土部分包括临界状态概念与剪胀性、砂土各向异性、应变局部化等 ;堆石料等粗粒土部分则以颗粒破碎对堆石料等粗粒土的力学性质的影响为主线,重点介绍了 颗粒破碎的度量方法、颗粒破碎对剪胀性、临界状态线的影响以及相应的本构模型、宏观-微观 的力学分析方法。     

考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解

高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷后,断面周边围岩的径向应力急剧降低,围压从围岩深部至隧道洞壁急剧衰减,不同位置岩石的应变软化和剪胀扩容受围压效应的控制。基于三维H-B强度准则建立考虑围压效应和中主应力的深埋软岩隧道弹塑性解计算方法,并依托中老铁路新华隧道计算深埋滇中红层软岩隧道的挤压变形,讨论围压效应和中主应力对围岩应力–应变特征、强度软化特征和剪胀扩容特征的影响,探讨围压效应在不同峰值强度、原岩应力和支护反力下的敏感性。研究结果表明：围压效应通过降低岩石的临界塑性偏应变η^*和增大岩石的峰值剪胀扩容系数K_ψ^p,从而加剧围岩的软化和剪胀程度,进而加剧隧道的挤压变形;中主应力会降低围岩的软化程度,加剧围岩的剪胀扩容,但整体上能有效抑制深埋软岩隧道的挤压变形;岩石峰值强度越低、埋深地应力越大时,隧道的挤压变形受围压效应的影响程度越高。因此分析高地应力深埋软岩隧道开挖卸荷的力学响应时,不能忽视围压效应的影响;支护反力能有效抑制效围压效应对隧道挤压变形的影响,在深埋软岩隧道的施工建设时应及时施作支护结构约束围岩的变形。     

不同应力路径下钙质砂力学特性的排水三轴试验研究

钙质砂的力学性质既有强度低、易破碎的特点,又有应力路径依附性的特性。为了研究不同应力路径对钙质砂的颗粒破碎和力学性质的影响,对不同固结压力的钙质砂进行了5种应力路径下的排水三轴压缩试验。结果表明:不同应力路径对钙质砂的应力–应变关系、抗剪强度和颗粒破碎特性有较大的影响。相同固结压力下,等轴向应力试验的剪胀现象最为明显,颗粒破碎率最小,峰值内摩擦角最大;等围压试验的剪胀现象最不明显,颗粒破碎率最大,峰值内摩擦角最小;等平均主应力试验的这些性质介于上述两种试验之间。等主应力比和等向固结试验在加载过程中主要表现为试样的体积压缩,因此与另外3种应力路径试验差别很大。不同应力路径对钙质砂应力–应变关系和强度的影响,除了砂土具有应力路径依附性的特性外,主要来自于应力路径和固结压力的不同产生的颗粒破碎程度不一致造成的影响,使得在不同的应力路径试验中钙质砂的力学性质表现出更大的差异。     

应力劳台角对孔隙压力发展的影响

通过中密承德砂在π平面上应力劳台角按不同规律变化的真三轴试验，研究了在不同应力条件下应力劳台角对孔压发展的影响规律。试验研究表明，在较低应力比（不发生剪胀）下，应力劳台角旋转３６０°产生的孔压累积值可达到平均主应力ｐ的１５％～２５％，在较高应力比（出现剪胀）下，应力劳台角旋转３６０°产生的孔压累积值可达到平均主应力ｐ的３０％。不同应力路径也会对孔压有显著影响。     

模拟堆石料颗粒破碎对强度变形的影响

许多试验事实表明,极高压力下颗粒材料粒径极限分布并非 Hardin 所谓的以 0.074 mm 为截断粒径的均匀分布。通过拓展破碎概念提出了 Hardin 破碎指标修正定义,并用以区分剪切过程中破碎的暂时和永久终止状态。 开展了系列模拟 堆石料固结排水大型三轴试验,提出了系列非线性关系用以描述模拟堆石料的级配、破碎指标以及应力–应变–体变响应变化规律。分析表明：随着围压增加,特征粒径减小而级配指标增加,试样级配变化明显;随着围压增加,峰值（或临界）状态破碎指标增加,相应的应力比和内摩擦角则减小,两种状态下破碎指标与内摩擦角具有唯一对应关系;同一剪切过程中,破碎指标变化率、剪胀率和塑性剪切模量具有非同步变化关系,由此形成了颗粒破碎对于模拟堆石料应力变形影响的复杂性。     

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。     

砂岩高应力峰前卸围压试验研究

 对采自重庆鱼嘴的砂岩开展若干围压(最小10 MPa、最大130 MPa)的保持轴压不变峰前卸围压试验,并与同围压下的常规三轴压缩试验结果进行对比分析,研究砂岩卸荷过程中的变形特征、破坏形态、峰值强度与残余强度特性及其扩容参数演化特征。主要研究成果为：(1) 加载路径下,围压增至130 MPa时,应力–应变曲线不出现应力降,可以认为围压130 MPa为砂岩脆–延转化压力。(2) 加载破坏时,偏应力峰值前扩容量相对于峰后较小,但卸荷破坏偏应力峰值前则表现出较大的扩容量。(3) 相同初始应力条件下,卸荷破坏时偏应力变化量比加载破坏时大,证明卸荷应力路径更容易引起砂岩试样的破坏。(4) 相同围压下,卸荷破坏的破裂角大于加载破坏。(5) 卸荷条件下得出的抗剪强度参数c比加载条件下低1.2%,?值则高4.8%;不论卸荷还是加载,残余变形阶段c值都大大减小,?值则变化不大。(6) 围压对扩容的约束作用较显著,围压越大,剪胀角极值越小;卸荷开始后,剪胀角呈剧烈增加态势,迅速达到极值;剪胀角峰值与偏应力峰值不同步,前者滞后于后者;卸荷破坏剪胀角峰值比加载破坏剪胀角峰值大,且达到峰值经历的塑性剪切应变量相对较小,证明卸荷破坏的剪胀性更加显著。这些结论可揭示高应力条件下砂岩的卸荷力学特性,为西部深埋引水隧洞的开挖、支护设计及其稳定性分析提供理论参考。