堆石料风化试验仪的研制及应用

研制了堆石料风化试验仪,能够实现干湿循环、冷热循环和应力三因素耦合的试验研究。该设备采用功能模块组合结构设计理念,包括竖向加载系统、水平加载系统、干湿循环控制系统、冷热循环控制系统和数据采集系统。采用了内外兼顾的温控设计思路,不仅可以使试样快速实现温度的变化,且能为试样提供均匀的温度场。利用该设备对典型堆石料进行了干湿循环、温度变化和应力三因素耦合的试验研究。结果表明,该设备能较好的实现干湿、冷热和应力的综合控制,湿冷干热-耦合循环作用对受荷堆石料引起了明显的劣化变形。     

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。     

温度变化对堆石料变形影响的试验研究

高土石坝建设使用的填筑堆石料在外界温度变化时,变形和力学特性会发生改变,可能影响坝体长期变形。首次采用自主研发的大型劣化三轴仪,通过低温、常温、高温及不同温度循环次数下的堆石料流变试验,研究温度对堆石料强度和变形的影响规律。试验发现:堆石料的流变变形受温度影响较大,温度升高,流变量减小,温度降低,流变量增大;经历温度循环次数越多,最终轴向及体积流变量越大。随着流变过程中试样温度的增加,轴向最终流变量呈减小趋势,随着冷却或增热次数增加,轴向和体积变形均呈逐渐减小的趋势。分析认为,温度循环造成堆石料一定程度上的损伤,导致其颗粒强度降低,变形量增大,经历多次温度循环后堆石料内部颗粒的劣化已经完成,变形基本不在明显。     

复杂应力路径下糯扎渡堆石料应力–应变特征研究

 通过对云南澜沧江糯扎渡水电站坝体I区筑坝堆石料在拟定应力路径下的三轴固结排水剪切试验数据分析,获取了堆石料的应力–应变参数。通过研究复杂应力路径下堆石料的应力–应变特征,得出了堆石料应力–应变特征将严格受控于应力路径,且试验实测应力路径与拟定应力路径相一致、不同应力状态下筑坝堆石料变形模量存在较大差异的结论。通过计算获得了复杂应力路径下堆石料的强度参数和等应力比加载条件下堆石料的变形模量。针对应力状态这一影响堆石料强度的主要因素,深入研究了其与堆石料强度之间的关系,得出了应力状态、黏聚力和内摩擦角三者之间的关系,对糯扎渡水电站大坝本构模型的建立和稳定性计算有一定意义。     

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.     

堆石料劣化及其对大坝安全运行影响的研究

在现有土石坝工程中,一些易风化的软岩已被广泛应用于坝体的填筑,在坝体长期运行过程中,堆石料含水率和温度变化的影响等会造成其力学性质的劣化,随着全球大气环境污染加剧,酸雨对其力学性质的影响也将日趋显著。堆石料是天然形成的,一般而言已有的生命周期可能比大坝的使用周期长得多,但在某些情况下岩石的力学特性会在很短甚至几个月内发生较大变化,堆石料力学性质的劣化会使其强度参数降低从而导致大坝安全稳定性下降,同时使坝体产生附加后期变形。现有的大坝设计中把岩体分成全风化、强风化、弱风化等,一般只考虑风化的现状,很少考虑工程建成以后岩体因风化而对其寿命和功能的影响。随着科技的进步,特别是环境岩土工程的进步,对风化现象从定性描述到定量研究的条件正在逐步成熟。针对单线法和双线法两种试验方法,分别提出了一个能够考虑堆石料风化影响的计算模型,可用于定量分析大坝使用周期内的坝体应力变形特性的变化,在此基础上对大坝内易风化软岩的分区布置进行了探讨。     

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。     

堆石料状态相关三维多重机制边界面模型

堆石料的应力应变特性与材料的密度、压力等状态密切相关。针对堆石料的变形与强度非线性,在临界状态和边界面弹塑性理论框架内,建立了一个堆石料状态相关三维多重机制边界面模型。模型将复杂的宏观变形行为分解为一个宏观体应变机制和一系列空间分布的相互独立虚拟微观剪切机制。每个微观剪切机制包含3个方向的微观剪应力–应变关系和微观应力–剪胀关系。引入一个与密度、压力相关的状态参数,用以统一描述不同状态下堆石料的变形和强度特性。模型包含12个参数,多数具有明确的物理意义。对2种堆石料三轴压缩试验结果进行模拟计算,模型模拟值与试验结果吻合良好,说明模型能够较合理地预测堆石料的应力应变特性。     

湿干冻融耦合循环作用下渠道劣化过程离心模型试验研究

季冻土地区复杂的水–热耦合作用是输水渠道等水工结构物发生劣化失稳的诱因。研制了一套季冻区渠道湿干冻融离心模型试验设备,实现了在离心场下进行湿润—干燥—冻结—融化过程的水–热耦合循环作用模拟。以北疆输水渠道为原型,开展了渠道在湿干冻融耦合循环作用下渠道劣化过程的离心模型试验。试验结果表明:湿干冻融耦合循环作用诱发模型渠道中的裂隙不断拓展,并最终产生一条贯穿渠顶表面的深层横向张拉裂隙,导致渠道有自渠顶张拉裂隙发生劣化失稳的趋势,这一过程中,渠水入渗深度不断增大,入渗量逐渐减小,土体的冻结速率和融化速率呈上升趋势。试验观测出渠坡处产生的累积法向变形最大,渠顶次之,渠底最小。所采用的离心模拟试验设备及测试方法对于寒冷地区渠道灾变问题的研究是适用的。     

水岩作用下损伤砂岩强度劣化规律试验研究

针对震后边坡岩体在降雨或库水浸泡作用下易出现变形破坏的现状,选取典型砂岩为研究对象,对岩样先进行循环加卸载损伤作用,再进行浸泡–风干循环水岩作用试验,对损伤砂岩在水岩作用下的劣化效应和机制进行详细研究。结果表明:(1)循环加载作用导致的岩石矿物颗粒界面滑移、局部接触变形和破坏不仅使得岩样产生塑性变形,而且使得岩样内部形成初始损伤;(2)在浸泡–风干循环水岩作用过程中,损伤砂岩的抗压、抗剪强度劣化效应明显,具有明显的时间效应和非均匀性;(3)与完整岩样相比,损伤岩样的强度劣化速度更快,说明水岩作用对损伤岩样的耦合损伤效应明显,这也能较好解释一些震后边坡在经历多个浸泡或者降雨周期后容易失稳的原因。     

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。     

堆石料流变应变的硬化特性试验研究

堆石料流变变形是高土石坝工程长期变形的重要来源之一,过大的长期变形可导致发生坝体裂缝和面板挤压破损等问题。目前常用的流变模型主要是根据单级加载流变试验成果建立的,未考虑多级加载情况下堆石料加载变形和流变变形之间的相互影响。研制了三轴仪油压伺服轴向应力稳压器,实现了应变控制进行应力加载和应力控制进行稳压流变的联合控制模式,据此提出了一种进行多级应力加载和流变的三轴试验方法,可有效避免流变的起算时间问题。采用糯扎渡弱风化花岗岩堆石料,进行了系列的多级加载三轴流变试验。根据试验结果,探讨了多级加载条件下堆石料应力应变曲线的分段特性,发现堆石料流变变形会引起堆石料的塑性硬化,可使得堆石料在后续应力加载的一定范围内处于弹性再加载状态。基于弹塑性理论,探讨了堆石料流变硬化特性的作用机理,表明堆石料流变的硬化特性具有普遍性,是流变的一项固有属性。     

水–岩作用下红层软岩力学特性劣化规律研究

红层软岩在三峡库区广泛分布,其在水–岩作用下的物理力学特性劣化将直接影响相关库岸边坡的长期变形稳定与安全。基于此,考虑消落带库水位反复升降变化,设计进行红层软岩的浸泡–风干循环水–岩作用试验,研究结果表明:(1)在水–岩作用过程中,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势明显,岩样存在逐渐"变软"的趋势,而且前3次浸泡–风干循环中的劣化速率较快,5次浸泡–风干循环作用之后,红层软岩的强度及变形参数劣化趋势逐渐趋于缓慢;(2)在水–岩作用过程中,岩样的破坏模式也存在明显的变化,不同围压下岩样的剪切破坏特征逐渐明显,岩样破坏时控制性裂纹数量逐渐减少,次生裂纹的数量逐渐增加;(3)在水–岩作用过程中,水压力的反复升降变化和浸泡–风干循环作用对红层软岩造成了不可逆的渐进累积损伤,红层软岩由相对致密的结构转变成微观裂隙、孔隙发育的松散多孔结构,宏观上就表现为抗压、抗剪强度劣化和破坏模式的变化。相关研究结论可为库岸边坡长期变形稳定分析提供参考。     

抽水蓄能电站堆石坝料抗剪强度参数统计分析研究

堆石料抗剪强度参数是堆石坝抗滑稳定计算最主要的参数。每个堆石坝工程均进行堆石料抗剪强度试验,进一步掌握堆石料抗剪强度参数量值大小、规律性及主要影响因素,根据北京勘测设计研究院勘测设计的7个工程101组试验资料,在对堆石料进行风化程度分类的基础上,采用数理统计分析方法,统计分析石渣料、碎砾石土、砂卵石土作为主堆石料、次堆石料、垫层料、过渡料的抗剪强度参数及规律性。进一步分析浸水饱和、密实度、颗粒级配(5 mm含量)、磨圆度、风化程度、岩性对堆石料抗剪强度参数的影响。结果表明,堆石料风化程度对抗剪强度参数影响最为明显,其他因素则均有不同程度影响。     

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。     

堆石料湿化变形特性试验研究

针对堆石料的湿化变形特性研究是堆石体应力应变分析的一个重要问题,在三轴试验的基础上,对某工程堆石料湿化变形与应力应变关系进行了初步探讨与分析,得出了堆石料湿化变形规律。     

循环荷载作用下堆石料颗粒破碎特性试验研究

利用大型动三轴试验设备,针对3种堆石料进行了考虑周围压力、固结比以及动应力幅值影响的排水动三轴压缩试验,探讨了动力荷载作用下筑坝堆石料的颗粒破碎特性。研究表明:在循环荷载作用下,堆石料颗粒破碎率随母岩强度的提高而降低,随围压、固结比及动应力幅值的增加而增加;根据动三轴试验过程,在进行颗粒破碎分析时应将堆石料颗粒破碎的产生分为4个阶段予以分别考虑;堆石料在动荷载施加前的已有颗粒破碎状态及应力水平对其后续的颗粒破碎特性具有一定的影响,动力加载过程中试样的体积收缩能够在一定程度上反映这一过程中颗粒破碎率的变化。     

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。