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。     

高面板坝堆石体的填筑质量控制指标研究与应用

利用建设中的阿尔塔什高面板坝的堆石料填筑级配,进行了现场大型相对密度试验,结合三因素图研究了堆石体采用孔隙率和相对密度双控填筑标准的设计方法,并利用堆石料挖坑检测资料说明了相应的现场填筑质量控制流程。结果表明:①堆石料的填筑级配基本为分形分布,粒度分形维数在2.516～2.633之间,压实性能较优;②当堆石料的最大粒径达到400 mm时,其干密度缩尺效应已经较小,可直接利用最大控制粒径等于400 mm级配的相对密度试验结果制作三因素图,作为评价现场堆石体压实质量的依据;③满足设计孔隙率不大于19%的堆石体,如果增设相对密度压实标准,则相对密度需满足不小于0.76,则仍有15%的检测坑不满足双控填筑标准要求的压实程度。孔隙率受级配影响较大,仅仅满足设计孔隙率要求,不能保证堆石体都能得到充分的压实,理论上不适合作为堆石体的压实标准;④采用孔隙率和相对密度双控填筑标准,为设计级配优良且充分压实的堆石体提供了理论依据,可以更好地满足高土石坝对于变形控制的要求,是保证高坝建设与运行安全的基础。     

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。     

连续分布超径粗粒土的级配缩尺方法与适用条件

结合国内若干座典型高坝,分析堆石料和砂砾料的填筑级配特性;在此基础上,结合大石峡和长河坝坝料室内相对密度试验和大型压缩试验,研究超径粗粒土级配缩尺方法的合理选择问题。结果表明:(1)Weibull模型对于反映筑坝粗粒土的级配构成具有较好的适应性,也可以反映级配的分形特性;(2)连续分布的粗粒土级配,剔除法、等量替代法、相似级配法等常见缩尺方法可采用统一的级配缩尺公式表示,可以准确计算缩尺试验级配;(3)使用最优颗粒充填关系对应的临界P5值,代替规范建议的小于5 mm颗粒质量百分含量P5不大于15%的标准,作为相似法的使用条件,即可避免过度使用混合法带来的缩尺试验误差,也不会出现相似法导致缩尺级配的"砂化"问题,可最大限度地保证缩尺前后级配的几何相似,有效提高缩尺试验结果的精度;(4)利用临界分形维Dc与最大粒径无关的性质,对于不同分布类型级配的超径粗粒土,可采用分形级配公式计算缩尺级配的临界P5值,并根据原级配参数确定相应的缩尺方法。研究成果可用于超径粗粒土的缩尺试验,具有较强的应用价值。     

基于分形理论的堆石料级配设计方法

根据分形理论,推导了堆石料级配的分形分布公式。利用6座心墙坝和5座200 m级面板坝工程的现场级配检测资料进行验证,相关系数基本在0.95以上,吻合较好;相对于不均匀系数Cu和曲率系数C_c指标,粒度分形维数可以更客观地反映堆石料填筑级配平均特性;对英安岩、凝灰岩和混合岩等不同母岩特性的缩尺堆石料进行了室内干密度试验研究,同时结合水布垭等4座大坝原级配堆石料的检测资料,研究了级配(粒度分形维数)与压实干密度的关系,认为级配是影响堆石料压实性能的主要因素;利用粗粒土级配的Cu,C_c与分形维数的关系,首次提出了堆石料、过渡料等大粒径筑坝材料的良好级配范围,其粒度分形维数在2.22~2.63之间。研究结论可为堆石料的级配设计与优化提供依据。     

粗粒筑坝材料密实度的缩尺效应研究

 针对已有研究成果忽视密实度缩尺效应对粗粒筑坝料力学性质影响的问题,根据双江口300 m级土石坝堆石料的原平均设计级配曲线,采用4种不同缩尺方法得到室内干密度极值试验成果,利用粗粒筑坝材料的级配设计母线--Talbot曲线,引入分形几何理论,选取对级配性质较为敏感的Talbot公式的指数n以及反映颗粒形状与粗糙度的因子作为分形指标,解译粗粒料密实度出现缩尺效应的内在原因,为粗粒料级配构成对密实度影响的量化评价提供依据,克服以往只能利用不均匀系数和曲率系数进行模糊评价的缺点。利用PFC2D软件,结合混合法各缩尺比级配进行干密度极值数值试验,研究缩尺效应对粗粒料的相对密度、孔隙率的影响规律,并分析引起其差异的细观机制。     

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。     

大粒径粗粒土相对密度试验方法研究与应用

结合拉哇特高面板坝堆石料的设计填筑级配,采用数值试验和现场试验手段,研究了影响大型密度桶试验精度的主要因素,提出了堆石料的孔隙率和相对密度双控填筑指标,并结合碾压试验成果验证其适用性。结果表明：(1)对于难以充分拌匀的大粒径粗粒土现场密度桶试验,采用人工分层装样方式,可有效减小试验结果的离散性。(2)密度桶尺寸的选择对试验结果影响较大,过大的尺寸带来较高的试验成本,甚至难以实施,过小的尺寸会带来明显的容器边界尺寸效应。综合现场实际情况,密度桶试验尺寸满足最小径径比和高径比分别在4.0,2.0左右时,试验结果的尺寸效应相对较小。(3)随着最大粒径的增加,密度桶试验的极值干密度均呈现增加的趋势,但当最大粒径达到300～400mm以后,极值干密度基本稳定,试验结果可以作为压实设计和填筑质量控制的依据。(4)试验得到拉哇角闪片岩堆石料的双控填筑指标为：孔隙率不高于19%时相对密度不低于0.73。采用32 t振动碾振动碾压12遍,即可满足要求。(5)采用水平分层碾压的大粒径粗粒土,适当提高压实层厚度与最大粒径的比值,可以取得更佳的压实效率。堆石料取松铺层厚1.0 m左右、最大粒径400～600 ...     

堆石料剪切强度与变形的尺寸效应模拟

堆石料尺寸效应的研究对准确预测土石坝的强度与变形至关重要。但是受室内试验条件的限制,能反映原型足尺级配料试样特征的三轴试验难以开展。通过对10~40 mm粒径范围内的古水玄武岩颗粒进行单粒强度试验,分析了单粒强度的尺寸效应,采用离散元方法对室内三轴试验的强度和变形进行模拟,结果表明采用的模拟方法可以很好地重现室内缩尺级配料的特性。运用相似级配法将模拟的缩尺级配扩展到原型足尺级配料级配,对原型足尺级配料试样的偏应力、体变和轴向应变关系进行模拟预测,同时整理了不同尺寸试样的强度参数。研究成果为由室内缩尺试验参数推演原型足尺级配料试样的强度及变形参数提供了一种可能。     

堆石坝现场碾压试验与离散元数值分析

根据糯扎渡水电站大坝上下游粗堆石区 I 区料源的现场碾压试验,基于离散元法提出堆石坝碾压试验数值模拟方法,并通过该方法对堆石坝现场碾压试验进行数值分析,探讨碾压过程中粒径分布对碾压质量的影响,分析碾压过程中颗粒的运动规律、密度形成机制及压实特性;模拟结果与实测结果基本吻合,验证离散元数值模拟方法应用于堆石坝碾压特性研究的可行性,更直观地从细观角度解释堆石体碾压过程中宏观参数(如干密度等)的变化规律,为大坝I区堆石料选取科学合理的碾压施工参数,为堆石体碾压特性研究提供新的途径。     

基于现场大型承载试验的原级配筑坝堆石料力学参数反演研究

基于水布垭面板坝的现场大型承载试验成果,采用基于IGA的反演方法,研究了栖霞组灰岩、茅口组灰岩两种原级配筑坝堆石料的邓肯E–B模型参数。结果表明:在相同应力加载路径条件下,现场原级配堆石料比经过缩尺后的室内三轴试验试样具有更大的体积变形和更高的切线弹性模量,两者的力学性状存在较大差别。对栖霞组原级配灰岩堆石料的回弹模量参数反演分析得到K ur约为K值的2倍,而nu r远大于邓肯建议的直接引用加载时的弹性模量指数n值。宜加强现场原级配粗粒堆石料的力学性质研究,为超高堆石坝的建设提供更为可靠的理论依据。     

连续分布的粗粒土级配方程与压实性能

以Morgan等人提出的生长曲线为基础,提出了可反映粗粒土"S型"以及"上凸型"颗粒分布的2参数级配方程及参数取值范围;当形状参数a趋向无穷大时,则级配方程转化为分形分布公式。在此基础上,提出了采用相对密度试验手段确定最优压实性能级配的方法。建议级配方程对于长河坝、大石峡、两河口等高坝的填筑级配,具有很好的适用性。利用所得研究成果,对大石峡砂砾料进行室内相对密度试验,结果表明:①对于最大粒径60 mm的不同分布规律的粗粒土而言,随着级配参数的变化,其最大、最小干密度均存在极值点或拐点,且对应的临界P5值都在35%附近。②临界P5值对应粗粒土的极优压实性能级配;颗粒级配越接近分形分布,压实性能越好,临界P5值对应的分形分布级配,即为最优压实性能级配。接近分形分布的长河坝堆石料,较低的现场压实参数却获得了较高的填筑干密度,也佐证了这一结论的合理性。③利用临界分形维数的尺度无关性,可以方便地将室内最优压实性能级配的研究成果推广至现场不同最大粒径的工程级配。结论可用于粗粒土的级配设计以及压实性能评价。     

堆石料缩尺效应的细观机制研究

堆石料的缩尺效应是客观存在的,受众多因素的影响,不同学者的试验结果均不相同甚至规律相反。采用考虑颗粒破碎效应的随机颗粒不连续变形方法,探讨堆石料缩尺效应的细观机制,试图解释试验成果出现差异的原因。主要研究压实度控制标准和颗粒自身性质对缩尺效应的影响,模拟结果表明：颗粒形状和级配对堆石料的压实性能有很大的影响,因此采用相对密度控制的缩尺级配料的密实度其强度差异较小;最大粒径越大,堆石料的不均匀系数越大,颗粒间的咬合作用越强烈,导致堆石料的初始切线模量也增大;而堆石料强度的缩尺效应与缩尺方法、压实度控制标准和颗粒自身性质等因素有关,其细观机制在于颗粒的剪胀、破碎和重排列受上述因素的影响而产生此消彼长或者此长彼消的复杂关系,其最终结果取决于何种因素占据主导地位;并试图提出一个通用的缩尺效应模型描述缩尺级配料的力学特性变化规律,外推原型级配料的力学参数不太可能,只能针对特定堆石料展开研究。     

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。     

基于分形理论的堆石料颗粒破碎极限和概率研究

为了研究具有分形级配的堆石料颗粒破碎规律与初始分形维数和围压的关系,采用粗粒土大型三轴试验仪,针对不同初始级配的缩尺堆石料,展开不同围压下的颗粒破碎试验,通过计算颗粒破碎前后分形维数的变化,建立围压与颗粒分形维数D的关系式,对现有的颗粒破碎度指标Br的上限值进行修正,利用分形颗粒集合体的概念对颗粒破碎概率进行计算。研究结果表明,堆石料的初始分形维数D0影响其应力应变特征;堆石料颗粒破碎存在极限值,分形维数和破碎度指标与破碎前后分形维数和围压相关;颗粒集合体可以用来计算分形级配堆石料分形维数变化规律,颗粒集合体中颗粒破碎概率与粒径无关,不同粒径颗粒具有相同的破碎概率,随着围压增加破碎概率增加,且存在上下限值,破碎概率与初始分形维数D0相关。     

山区高速公路填石路堤现场压实质量检测方法

以南方某高速公路填石路堤为例,分析比较了击实法和振动台法确定填石料室内最大干密度;用水袋法对现场填石料密度进行了测定,并以此为基础推算原级配填石料的最大干密度,探讨了山区高速公路填石路堤压实检测方法,提出了以压实度作为控制标准的压实检测方法,并在现场铺筑试验路段加以验证。     

基于表面沉降法的堆石坝现场碾压试验分析

长河坝是目前国内已建成的高度第二、填筑总量第一的世界级高堆石坝,主体部分是以当地石料填筑的坝壳体,其碾压密实质量直接影响坝体施工及运营期的变形稳定。长期以来,堆石体的压实质量主要依靠挖坑测试法通过干密度指标来评估,不仅费时费力,且误差较大。依托长河坝水电站坝体堆石料的现场碾压试验,采用表面沉降法对压实质量进行评估,并与现场挖坑灌水法实测得到的密度进行对比。结果表明:采用表面沉降法计算的密度与挖坑灌水法实测密度基本吻合,现场压实质量可以通过沉降量或沉降率来控制;表面沉降法操作简单,可有效保证填筑质量,加快施工进度,为堆石体碾压特性研究提供了新的途径,具有较好的实用价值。     

循环荷载作用下堆石料的颗粒破碎特性

通过大型动力三轴试验,研究了循环荷载作用下堆石料的颗粒破碎特性及其影响因素,首次根据堆石颗粒在混合料中所发挥的作用以及堆石料发生颗粒破碎后不同粒径范围颗粒含量的变化量,将堆石料的颗粒破碎形式划分为棱角破碎和骨架破碎。进而,基于堆石料发生颗粒破碎前后级配的分形维数定义了堆石料的颗粒破碎率,建立了循环荷载作用下堆石料颗粒破碎率与其动剪应变及体积应变关系表达式。     

考虑细观单粒强度的堆石料破碎特性研究

颗粒破碎是影响堆石料力学性质的主要因素之一,但由于测试手段的限制,荷载作用过程中堆石的颗粒破碎难以实时度量,因而影响堆石料力学特性的深入研究。通过单粒强度试验,发现同一粒组的堆石料单粒强度较好地服从Weibull分布,而破碎后颗粒的粒径级配曲线基本服从分形分布。在此基础上,推求了堆石料三轴试验过程中级配的演化过程,给出了颗粒破碎的实时预测方法,与三轴试验结果比较,验证了本文方法的有效性。     

高心墙堆石坝填筑标准的试验研究

近期建成的几座高心墙堆石坝的监测资料表明,坝体的分区变形协调性并没有达到设计目标。为此,结合建设中的长河坝300m级心墙堆石坝,开展了坝壳料的室内和现场大型相对密度试验,得到了相应的相对密度指标,并对各分区的填筑标准进行了讨论。结果表明:①由于级配为较好的分形分布、压实性优良,现场堆石区的填筑平均孔隙率达到19%,优于21%的设计指标,但相对密度仅为0.65;②根据规范要求设计的反滤2区、过渡区和堆石区的填筑相对密度在0.96～0.65之间,其压实程度存在明显差异,不易保证坝体各分区的变形协调;③采用与现场压实功能相匹配的室内相对密度试验技术,可解决高心墙坝的反滤料或面板坝的垫层料相对密度大于1的问题;④高坝堆石体的变形控制设计,需要考虑级配效应的影响,宜采用孔隙率和相对密度双控填筑指标。结论可为高堆石坝的设计与建设提供参考。