堆石颗粒强度的尺寸效应研究

堆石料作为主要筑坝材料,具有显著的尺寸效应且易发生颗粒破碎,颗粒破碎是引起土石坝变形的重要影响因素之一。因此,研究堆石颗粒单粒破碎强度的尺寸效应可为高土石坝变形控制研究提供试验参数,具有重大意义。通过对２０ｍｍ～２４０ｍｍ范围内的大连石灰石颗粒进行单颗粒强度室内试验,分析了不同粒径颗粒强度的分布规律,发现Ｌｏｇｉｓｔｉｃ函数能够较好地描述同一粒组堆石颗粒强度的分布。基于Ｌｏｇｉｓｔｉｃ函数建立了考虑尺寸效应的颗粒强度公式,同时根据单颗粒破碎试验现象提出了四种颗粒破碎模式。最后对单颗粒破碎后的碎片进行筛分,研究了其碎片的分布规律。     

堆石料强度及变形研究

通过大型三轴剪切试验,研究了广泛应用于众多工程领域的堆石料,在不同围压下和复杂应力状态下的强度和应力一应变关系,得到了所选用堆石料的抗剪强度指标及邓肯张非线性模型的参数值;通过对比不同围压下,试验前后试样的颗粒级配,得到了在试验过程中,堆石料的颗粒破碎度随着囤压的增加而增加,但制样过程中人为导致颗粒破碎的因数也不容忽视.     

人工模拟堆石料强度和变形特性试验研究

堆石料的强度与变形机理非常复杂,颗粒破碎是影响堆石料强度和变形的重要因素。本文采用水泥净浆浇筑大量单一粒径、大棱角人工模拟堆石料颗粒,从而基于三轴试验研究了不同围压条件下人工模拟堆石料的强度和变形特性,对颗粒破碎程度和形态进行了细化,探讨了颗粒破碎对堆石料体积变形的影响。结果表明,堆石料的棱角特性对堆石体颗粒破碎有着显著的影响,从而对堆石体的强度和变形特性产生影响。堆石料的颗粒破碎形态可分为棱角破碎、剪切面破碎和完全破碎;以剪切面破碎和完全破碎为主,随着围压的升高,棱角破碎对颗粒破碎的贡献越来越大。剪切面破碎和完全破碎是影响堆石料颗粒破碎增长不均匀性的主要因素。     

人工模拟堆石料颗粒破碎的分形特性

人工制备等粒径、不同强度的水泥球颗粒模拟堆石料,进行室内三轴加载试验。依据试验前后颗粒破碎后的粒径分布,采用Tyler等建立的分形模型,研究堆石料颗粒破碎的分形特性,并与Hardin相对颗粒破碎率进行对比分析,探究分形维数表征颗粒破碎程度的可行性。结果表明:排水和不排水条件下得到的结果相似,试验采用的4种水泥含量的试样颗粒在颗粒破碎后的分布特征具有良好的分形特性。同一水泥含量下,随着围压的升高,堆石料分形维数逐渐增大;高围压下,颗粒破碎严重,中间粒径和细粒含量较多,级配更均匀,分形模拟结果与试验结果较低围压下具有更好的线性关系。相同围压下,随着颗粒强度的增大,颗粒破碎程度减小,分形维数随之逐渐减小。通过与Hardin相对颗粒破碎率进行对比可知,分形维数可以很好地表征试样的级配情况,其值越大,级配越良好,粒径分布情况越均匀,颗粒破碎越严重。     

高土石坝堆石料缩尺效应研究

通过堆石料室内大型三轴试验、数值模拟及现场原级配料载荷试验,分析缩尺效应对堆石料工程特性的影响。结果表明:室内试验颗粒最大粒径小于原级配颗粒最大粒径,忽略了颗粒破碎对筑坝料变形的影响,导致室内试验得到的参数大于堆石料实际变形参数;数值模拟试样级配变化较大,堆石料较为均匀,制样孔隙比大,试样干密度也远小于施工控制的干密度,试验时加载过程中颗粒的压缩和压密加剧了筑坝料的变形,导致模拟得到的变形参数偏小。堆石料缩尺效应主要受母岩强度、颗粒形状、级配特征、制样方法、控制标准等的影响;随堆石料最大粒径的增大,初始摩擦角稍有增加,摩擦角衰减值明显增加,体变模量明显减小,模量系数变化相对较小。     

级配对堆石料颗粒破碎及力学特性的影响

级配是影响堆石料颗粒破碎和力学特性的重要因素。为研究级配对堆石料强度和变形特性的影响,开展了3种堆石料的大型三轴排水剪切试验;同时为分析不同级配堆石料的颗粒破碎特性,对试验前后试样进行了颗分试验。试验结果表明,颗粒破碎率随应力的增大而增大,在同一围压情况下,相比于细颗粒含量高的堆石料,细颗粒含量少的产生的颗粒破碎率要大。随细颗粒含量的增加,强度指标变大,抵御变形能力增强,剪切过程中产生的体积变形小,剪胀更为明显。     

堆石料的临界状态探讨

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机理有重要影响。为此,本文对堆石料进行了固结应力从400kPa到4MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验,及6组等向压缩试验。结果表明:(1)围压低时颗粒破碎轻微,固结排水时试样剪胀,固结不排水时孔压先增加后稍有降低;围压高时颗粒破碎严重,固结排水时试样剪缩,固结不排水时孔压也是先增加后降低;等向压缩时随着平均有效应力增加颗粒逐渐破碎,但不明显;(2)不同的固结应力时,在排水条件和不排水条件下试样都趋于临界状态;(3)堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。最后提出了堆石料的临界状态的数学描述并较好地验证了试验结果。     

堆石料的临界状态探讨

高应力水平时堆石料的颗粒破碎对其强度和变形机理有重要影响。基于临界状态的土力学理论对重塑土的应力-应变关系的描述较为成功，但是目前颗粒破碎对堆石料临界状态的影响及其数学描述鲜有研究。为此，对堆石料进行了固结应力从400kPa到4MPa的18组固结排水和固结不排水常规三轴压缩试验，及6组等向压缩试验。结果表明：（1）围压低时颗粒破碎轻微，固结排水时试样剪胀，固结不排水时孔压先增加后稍有降低；围压高时颗粒破碎严重，固结排水时试样剪缩，固结不排水时孔压也是先增加后降低；等向压缩时随着平均有效应力增加颗粒逐渐破碎，但不明显；（2）不同的固结应力时，在排水条件和不排水条件下试样都趋于临界状态；（3）堆石料的临界状态在q-p′平面和e-lgp′平面均为非线性变化。最后提出了堆石料的临界状态的数学描述并较好地验证了试验结果。     

考虑级配影响的堆石料强度与变形特性

利用大型三轴仪选用一种典型堆石料,通过设置4种级配、4种相对密度开展一系列不同围压作用下的大型三轴压缩试验,以研究级配、密度、应力状态等因素对堆石料强度与变形特性的影响。基于以上试验,对比分析不同级配、不同密度、不同围压条件下堆石料的应力变形特性,结果表明:试样颗粒越粗,剪切过程中试样越呈现应变硬化和压缩变形特性,随着颗粒逐渐变细,应变软化和剪胀特性愈加明显;堆石料强度与变形特性不仅与其密实和所处的应力状态有关,而且初始级配对其强度与变形特性有显著影响;堆石料强度包络线符合幂函数关系,并通过分析计算验证了其合理性与正确性。分析结果为进一步研究堆石料的状态相关剪胀理论及状态相关本构模型奠定了基础。     

颗粒破碎对堆石料静动力特性影响的试验研究

开展了堆石料的大型静力三轴试验和动力三轴试验,研究了级配与颗粒破碎对静力力学特性的影响,讨论了动静力力学特性的相似性。研究表明当细颗粒含量在30%以内时,堆石料的强度指标和弹性模量随细颗粒含量的明显增加而提高;颗粒破碎对堆石料的力学特性影响较大,堆石料的颗粒破碎程度随细颗粒含量的增加而减少,随应力的增大而增大。研究还表明,堆石料的动力力学特性与静力力学特性具有相似性,当细颗粒含量增加后,级配趋向优良,堆石料的最大动模量和抵御地震残余变形的能力得到了提高。     

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。     

基于颗粒流的花岗岩微观破坏机制研究

为研究岩石在单轴压缩条件下的微观破坏机制,利用岩石力学试验机进行花岗岩岩样的室内试验,采用颗粒流分析程序编程建立可靠的数值模型,通过分析试件压缩破坏过程的裂纹演化规律、裂纹数特征和能量耗散规律,讨论其微观破坏机制。结果表明,花岗岩岩样内部拉裂纹分布与宏观破坏面较为吻合,在裂隙发展中起着关键作用;峰值强度前,剪裂纹较拉裂纹发育显著,峰值强度后,拉裂纹数剧烈增加,造成岩样承载力的降低;岩样最终失效形式为沿对角形成宏观剪切面破坏,并有少量张拉襞裂破坏。     

基于Rouse公式的紊流区悬沙粒径级配垂线分布规律

基于Rouse公式及紊流泥沙沉速公式,分别推导得到了紊流时的悬沙粒径及级配垂线分布公式,前者直接量化了泥沙“上细下粗”的垂线分布规律,后者则可用于计算不同水层及垂线上总的悬沙粒径级配。通过实例,应用粒径级配计算公式得到了不同水层的悬沙粒径级配。结果表明:泥沙粒径“上细下粗”的分布规律明显;在越远离床面的水层,细颗粒所占的比重越大,粒径分布越均匀。当考虑悬浮高度影响时,以最大粒径悬沙的最大悬浮高度为界,该高度之下级配“等宽”,该高度之上级配“上窄下宽”。     

颗粒级配对微生物固化砂土力学性能的影响

土体的颗粒级配不同,其微生物固化效果也可能存在一定的差别。将颗粒粒径范围为0.074~2.000 mm的砂土分成颗粒级配良好与颗粒级配不良4组,分别测试了固化后砂样的无侧限抗压强度、渗透系数、孔隙率,碳酸钙沉淀量,从宏观角度对比了颗粒级配对微生物固化砂土的物理力学性质影响。同时,结合电镜扫描,从微观角度分析了颗粒级配对微生物固化砂土的影响机制。研究结果表明：相比于颗粒级配不良的砂土,颗粒级配良好的砂土碳酸钙沉淀量与均匀性更好,孔隙率与渗透系数更小,从而增加了试样的无侧限抗压强度。这是因为级配良好的砂土自身含有更优的粗细颗粒组,可提供更多有利于生成碳酸钙的沉积位置,生成的碳酸钙更加致密,强度更高。     

颗粒组构对砂土三轴压缩性状影响的细观分析

基于离散元开源系统Yade,开发一种可以确定材料初始孔隙度与级配的滚动阻力DEM模型,结合Labenne砂的室内试验与引入滚动效应的三轴压缩模型的数值试验,探索了组构特性对砂土材料的力学性质及微观参数的影响。基于数值试验结果,分析了模型中颗粒力链、位移场及应变场等随着三轴模型变形的变化规律。通过制备5组不同级配与3组不同孔隙率的数值模拟试样,对比Labenne砂的室内试验。结果表明:①不均匀系数与孔隙率对砂土峰值强度有明显的影响;②不均匀系数对颗粒配位数及局部应力有很大的影响;③砂土剪切面的破坏模式为沿着剪切面由内向外扩展破裂。     

考虑颗粒破碎的钙质砂压缩特性试验研究

针对钙质砂的颗粒破碎与压缩变形问题,开展了不同含水率条件下的钙质砂侧限压缩试验,分析了粒径、含水率对颗粒破碎和压缩变形的影响规律。试验结果表明:粒径越大,钙质砂颗粒越容易破碎,由此引发的形变越大;不同含水率条件下,颗粒破碎机制不同,当处于低含水率条件下时,颗粒破碎随含水率的增加而加剧,当处于高含水率条件下时,颗粒破碎随含水率的增加而减弱;含水率对压缩变形影响显著,不同含水率条件下的钙质砂压缩性不同。     

考虑振动碾压引起的颗粒破碎对堆石坝变形计算的影响

采用振动碾压填筑堆石坝的过程中,堆石料会发生大量的颗粒破碎,导致粗粒含量减小,细颗粒含量增加,碾压后的级配与设计级配已经不再相同。然而,目前在可研和初设阶段,开展现场碾压试验难度大,而有限元计算大坝变形时采用的堆石料计算参数往往都是设计级配(未考虑碾压)的三轴试验结果。实际上,设计级配的变形模量比碾压后级配(相同密度条件下)的试验结果高。本文参考已建大坝碾压时颗粒破碎的实测结果,采用考虑颗粒破碎的状态相关的堆石料弹塑性本构模型,开展了大坝施工和蓄水的有限元分析研究,计算结果表明:是否考虑碾压过程中的颗粒破碎对大坝变形计算结果有着较大的影响,如果在三轴试验或计算分析中不考虑这个因素,会明显地低估大坝的变形,对大坝的安全性评价是十分不利的,这可能是目前有限元计算的高坝沉降变形比实测偏小的主要原因之一。     

颗粒级配对管涌发展的影响试验研究

自行设计模型槽进行垂直渗流下砂土管涌试验,通过精细化量测手段获取管涌发展中土体几何、水力学参数及颗粒运动特点,研究颗粒级配对管涌发生发展的影响,揭示管涌细观机理。管涌型砂土可动颗粒本身级配影响流失颗粒最大粒径及颗粒流失量在渗流方向上的分布情况,但对最终颗粒流失量影响不大;可动颗粒含量对砂土是否发生渗透破坏及潜蚀发展过程影响密切,临界细颗粒含量及存在的自滤过程是要考虑的。通过体视显微镜,从细观尺度揭示临界细颗粒含量的砂土在管涌过程中,可能产生自滤反滤现象而使系统自稳定,进一步揭示该机制是由于砂土在复杂的水土相互作用过程中形成层间系数D15/d85值符合自稳定的级配特点所致。研究表明,对级配分布较广,缺失中间粒径的管涌型砂土,要判别砂土是否会发生渗透破坏及其临界水力梯度大小,在采用经典公式或经验曲线判断的基础上,有必要针对实际工程土体的级配特性与实际水力学条件,开展复杂水土作用过程的试验论证。     

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...