缩尺方法对粗粒料密度和渗透性影响的试验研究

依据规范推荐的粗粒料超径处理方法,对最大颗粒粒径为200 mm的宽级配料进行缩尺,控制最大颗粒粒径分别为60,20 mm,获取多条模拟级配,对原始级配、模拟级配粗粒料进行最大干密度试验和渗透试验,以研究不同缩尺方法、不同最大颗粒粒径条件下,粗粒料密度和渗透性的变化规律。结果表明:对于最大干密度试验,采用同种缩尺方法获取的最大干密度随最大颗粒粒径的减小而减小,表明粗颗粒的骨架作用显著。因缩尺后的P5含量使细颗粒处于较好的填充状态,可获得较高的最大干密度,其模拟级配试验值更接近原始级配,在此原则下相似级配法和混合法优于剔除法和等量替代法。对于渗透性试验,采用同种缩尺方法处理的最大颗粒粒径较小的试样,其渗透性也较小。细粒料土(尤其是粒径小于5 mm)的含量对渗透系数起到控制作用,缩尺处理应以尽量不改变较细粒料土的含量为原则。此原则下等量替代法最适用。     

基于连续级配方程的粗粒料压实密度缩尺效应试验研究

根据双江口心墙堆石坝堆石料的原型平均设计级配曲线,采用剔除法、等量替代法、相似级配法和混合法等4种不同缩尺方法得到室内最大干密度试验成果。结合土的连续级配方程,采用级配面积与小于5 mm的颗粒质量分数P₅构建的函数式作为级配量化指标,拟合出最大干密度与试验前级配曲线面积、P₅及最大粒径之间的关系,据此可推求出原型级配的最大干密度。通过分析得到试验前后级配量化指标之间的拟合公式,并利用试验前后级配量化指标的相对变化量B_w作为颗粒破碎的定量指标,探讨了缩尺方法对压实过程粗粒料颗粒破碎的影响。结果表明,采用等量替代法缩尺,B_w随粒径的增大呈减小趋势;而采用剔除法、相似级配法和混合法缩尺,B_w随粒径增大呈增大趋势。     

缩尺方法对土石混合料力学性质的影响

为探讨缩尺方法对土石混合料力学性质的影响,对同一原级配料分别采用剔除法、等量替代法和相似级配法处理,进行振动击实和固结排水三轴压缩试验。结果表明,缩尺方法对土石混合料振动击实特性和抗剪强度均有影响;采用相似级配法处理的土石混合料最优含水率和最大干密度均高于剔除法与等量替代法处理的级配料;相似级配法处理后的土料抗剪强度较高,等量替代法缩尺的土料强度较低,剔除法缩尺土料强度居中。     

上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的细观机制研究

为了系统研究上覆粗粒土层对堤基管涌破坏的微观机制,采用PFC3D并结合"休止角标定法"对模型进行标定,快速、准确地建立了材料宏观参数与颗粒细观参数间联系,有效地模拟了粗粒土渗透变形的发展过程,获得了渗透变形的微观参数和运移规律。结果表明:上覆粗粒土层中细料含量为10%、20%时,在水压力作用下细颗粒在骨架颗粒间运动并发生流失,表现为管涌型破坏,且上覆粗粒土层中细料含量越少,细砂层越易破坏;当细料含量为30%时,管涌口附近土体发生流土型破坏,而后上覆粗粒土骨架颗粒与细砂层颗粒同步流失并逐步向上游发展,表现为管涌型破坏,整体颗粒流失呈现为过渡性渗透破坏;上覆粗粒土层为管涌型土时,上覆粗粒土骨架颗粒在水头压力作用下会发生快速沉降,上覆粗粒土层为过渡性土时,上覆粗粒土层初始没有发生下沉,在上覆土层发生流土破坏后,才逐渐开始下沉,且上覆粗粒土的沉降量随着上覆粗粒土骨架颗粒中细料含量的减少而增加。本研究在方法上可为三维颗粒流数值模拟中细观参数的标定提供一定参考,并揭示了上覆土层细颗粒含量对渗透变形的影响及颗粒微观运移规律。     

考虑缩尺效应粗粒料单向压缩湿化变形试验研究

以双江口堆石坝主堆石料设计级配为原型,利用单向压缩仪,考虑不同缩尺方法和颗粒最大粒径,对某不同级配粗粒料进行了固定竖向荷载下的湿化变形试验研究。分析试验结果,讨论了不同缩尺方法对粗粒料试验结果的影响,探讨了在单向压缩试验条件下粗粒料的湿化变形规律。发现湿化后试样变形随压力增加呈线性增长,其弹性模量Et较干态粗粒料小。同时还讨论了颗粒破碎的影响因素,粒径越大越易发生破碎,破碎率和粗粒料的级配有关。     

粗颗粒填料蠕变的缩尺效应研究

为解决高填方工程中粗粒填料蠕变的缩尺效应问题,以灰岩质填料为试验研究对象,对3种不同缩尺级配的粗颗粒土试样分别进行蠕变试验,并总结了试样的最大干密度与土样的缩尺比之间的关系,以及试样的最大粒径与土样蠕变变形之间的关系。研究表明,试样的最大干密度与其所含的最大粒径呈线性正相关关系;试样所含最大粒径与其沉降量呈正相关关系;改变试样所含的最大粒径后,土体强度产生变化,其变形性质随之变化;当轴向应力足够大时,粗颗粒填料的应变趋于定值。     

考虑应力状态的接触流土试验研究

接触流土作为渗透变形的一种型式,通常由接触面两侧粗细颗粒的粒径比来判别。结合试验研究了应力状态对接触流土临界坡降的影响,结果发现在粗细颗粒的接触带,在同样的水力梯度下,即将流入粗颗粒孔隙之中的细颗粒内部的压应力越大,接触流土破坏越难发生,且发现接触流土临界坡降随着压应力的增大而增大。由此得出:在控制反滤料颗粒级配的基础上,采取结构措施增大细颗粒内部的压应力,可以使反滤层的运行更加稳定。     

级配缩尺对堆石压缩特性影响试验研究

选用两项工程筑坝堆石材料,将原级配堆石料按不同的缩尺方法和不同最大控制粒径进行缩尺,并对同种堆石材料选取相同的相对密度控制指标,研究了缩尺后堆石材料压缩特性的变化规律和级配特征对压缩特性影响规律。结果表明:缩尺后堆石材料的压缩模量随缩尺后最大粒径和各特征粒径的增大而减小,粒径增大约3倍,压缩模量减小幅度可达约1/2,随原级配最大粒径的增加,缩尺后材料的控制粒径对压缩模量的影响更为显著;缩尺后材料级配的不均匀系数越大,压缩模量越小,曲率系数越大,压缩模量越高,采用等量替代法缩尺获得的堆石材料压缩模量随粒径增大的减小幅度大于采用相似级配法后的值。对于不同的堆石材料,由于母岩岩性以及材料原级配等方面存在差异,研究成果有待更多验证。     

宽级配土料应力路径试验中几个问题的处理

通过对采用剔除法、等量替代法和相似级配法对超径颗粒进行替代后的级配曲线与原级配曲线进行比较，决定选用等量替代法进行处理后的土料试样进行室内三轴应力路径试验．试验中，加荷时均以正应力增量与广义剪应力增量之比作为应力路径的标志，采用应力控制方式分别实现了三种不同的应力路径．为确保体积应变量（文中简称体变量）的准确测定，宜选取直径较小的体变管．     

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。     

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。     

水布垭心墙堆石坝宽级配防渗料的反滤研究

针对水布垭宽级配防渗料,研究了反滤设计方法。通过反滤保土试验及冲刷自愈试验,给出了适合水布垭宽级配防渗料的反滤设计标准。在反滤保土试验中,提出了平抛风干细料的试验方法,较之谢纳德的浓泥浆试验更为方便快捷。水布垭心墙防渗料不仅级配宽而且变化大,几乎包容了可作防渗料的各种宽级配料。为此,研究成果D15=0.5～1mm(平均0.6mm),可作为一般宽级配防渗料的反滤设计准则。     

双层堤基上覆层对堤基渗透破坏影响的试验

根据上覆层与下伏砂层的协调变形情况,将上覆层概化为完全不变形的刚性上覆层以及与下伏砂层始终协调变形的柔性上覆层,并利用室内试验对这2种极端情况进行模拟。通过对试验过程中的土体破坏情况、渗透流量、涌砂粒径以及破坏后土体的颗粒组成等方面进行分析,发现具有刚性上覆层的双层堤基在接触面上易形成空洞,而柔性上覆层较刚性上覆层具有更强的抗渗透破坏能力;同时,具有刚性上覆层的堤基发生渗透破坏时粗颗粒更易流失。对渗透破坏过程中的渗流场进行数值模拟,对比了不同渗透破坏阶段的水力梯度分析情况,简要分析造成2组试验差异的原因所在。研究结果表明,使上覆层与下伏砂层保持协调变形是控制渗透破坏发展的有效方法,建议在堤基建设时尽量增加上覆层柔性,使上覆层与下部土体有协调变形的能力。     

堤防渗流计算的基本方法与渗流控制措施

关于堤防中的渗流问题,中国和荷兰两国对堤防渗透破坏模式和管涌机理的分析方法不同,但本质上是一致的.荷兰学者的研究主要集中在作用于结构上的水头与管涌侵蚀长度之间的关系,而中国学者的研究则主要集中于渗透破坏模式和土颗粒组成之间的相互关系.对于水头与渗径关系的确定,Sellmeijer公式较传统的Bligh和Lane经验公式具有更好的适用性.在渗透稳定分析中,有限元渗流计算结果应结合渗流比降与土体抗渗特性之间的关系进行分析.对于堤防的渗流控制,应采取上游防渗铺盖、下游盖重、反滤层、减压井等综合措施.     

粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形仪的研制

针对目前还没有合适的室内试验仪器测试巨粒混合土的渗透系数和巨粒混合土发生渗透破坏时的临界水力梯度的现状,研制了粗颗粒土渗透系数及土体渗透变形测试仪。该仪器最大的特点是根据巨粒混合土中含有细粒土致使土体难以饱和的特点,在仪器上设置了密封抽气饱和装置,可以对土样进行抽气饱和。结合工程实践对不同级配的土体进行了渗透及渗透变形试验,试验测得的土体渗透系数和临界水力梯度与理论计算的结果非常接近,部分试验成果已应用于工程实践。     

荆江大堤堤基管涌破坏

本文探讨荆江大堤堤基管涌和管涌破坏的机理。文中阐述了荆江大堤渗流稳定问题的主要特点:(1)管涌发生并不一定管涌破坏;(2)管涌发生的地点有近有远;(3)堤基渗流破坏的最终形式是流土;(4)管涌的扩展是一随机过程。在理论分析和模型试验的基础上,给出核算堤基渗流稳定的方法和公式。据此,用可靠性分析方法确定荆江大堤保护范围。实例证明本文的方法和公式是正确的。用本文的方法可以大大节约整险加固工程投资。     

堤防管涌产生集中渗漏通道机理与探测方法研究

本文对堤防渗流管涌发生后产生集中渗漏通道的机理进行了深入的分析探讨，在管涌发生初期采用井流理论模拟河水向管涌口补给时地下水的流场情况，确定管涌开始发生时的范围以及逐步的发展过程，根据管涌的临界水力梯度，通过模型可以求出管涌初期的临界面，管涌初期涌砂区的范围较大，由于管涌离堤坝最近的地层中的水力梯度最大，被带走的砂也最多，涌水量增加而水力梯度减小，造成接近管涌初期临界面附近的水力梯度达不到地层颗粒移动的临界水力梯度，造成临界面向里缩小，最终形成了集中渗漏带。本文还对管涌渗漏探测的天然示踪与同位素示踪方法进行了论述。     

砾石土粗粒含量对高土石坝稳定渗流的影响

高心墙堆石坝心墙防渗料多采用砾石土,当砾石土的粗粒含量（指质量分数,下同）超过50%时,渗透系数很可能超过规范要求,不利于坝体渗透稳定。通过对粗粒含量超标单元赋予不同的渗透系数,采用三维有限元法分析了心墙局部砾石土粗粒含量超标时对坝体渗流的影响。结果表明:心墙局部砾石土粗粒含量超标对坝体的渗流场分布和单宽渗流量影响都较小,对心墙内渗透坡降影响较大,最大渗透坡降都出现在未超标单元处。对于超标区域在中下部的情况,当超标单元粗粒含量小于55%时,渗透坡降最大增幅为36.4%;超标单元粗粒含量大于55%时,最大渗透坡降显著增大,且会超过允许坡降,不利于坝体渗透稳定。因此,在实际工程中应结合砾石土料的级配和细粒含量情况,做好下游反滤层的设计,并严格控制砾石土的施工压实度,以保证坝体安全。     

存在高渗透区域的堰塞坝渗流稳定性分析——以红石河堰塞坝为例

堰塞坝是由滑坡体土石材料快速堆积而成,没有经过充分固结,坝体结构松垮、组成物质松散,材料分布极不均匀,局部很可能存在由大颗粒组成的高渗透区域,在堰塞湖蓄水的高水头作用下可诱发渗流破坏(如管涌),进而导致坝体失稳。本文以汶川大地震中形成的红石河堰塞坝为例,通过分析高渗透区域对红石河堰塞坝渗流特性的影响规律,提出一种考虑高渗透区域存在的堰塞坝渗流稳定分析方法。该方法将渗流失稳定义为管涌和边坡失稳的循环发展过程,并针对土体材料和水力学参数设置管涌和边坡失稳临界条件用于判断渗流失稳发展情况。通过对红石河堰塞坝的分析发现,高渗透区域的存在对堰塞坝的渗流稳定是不利的。高渗透区域越长、渗透性越高、其位置越靠近坝体下游坡脚,堰塞坝的渗流稳定性越差。由于红石河堰塞坝坝宽坡缓,高渗透性区域的存在可引发局部管涌,但不会发生管涌及边坡失稳破坏;当坝顶宽度较小、下游边坡比较大时,坝体发生管涌和失稳连续破坏,最终导致漫顶溃坝。