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。     

级配不连续粗粒土渗透变形试验缩尺方法研究

目前,基于试样的干密度、抗剪强度、变形特性和渗透性等效,提出了各种粗粒土试验超粒径颗粒缩尺方法,但对渗透变形试验中超粒径颗粒的处理并没有明确说明。通过采用不同缩尺方法对具有不同渗透稳定性的级配不连续型粗粒土进行渗透变形试验,并与原级配土的试验结果进行对照,分析了各类缩尺方法对渗透变形试验的适用性。结果表明:对于缺级粒径小于5 mm的级配不连续型土,等量替代法不影响粗料的绝对孔隙体积和细料填充程度,对管涌型和流土型土进行缩尺处理不改变试样的渗透破坏形式和水力条件;相似级配法因土体粒径的等比例减小使反映粗料孔隙尺寸的特征粒径D20相应变小,对管涌型土进行处理后渗透破坏形式转变为过渡型,流土型土的渗透破坏形式虽不会发生改变,但土颗粒离散程度的增大使相应的临界和破坏坡降明显降低;等量替代法能取得优于相似级配法的缩尺效果。     

粗粒料相对密度室内与现场试验对比分析

粗粒料最大干密度是在原型级配料基础上经过缩尺后得到的控制指标,存在明显的缩尺效应。为研究粗粒坝料相对密度室内与现场试验的差异,针对相同坝料,采用等量替代法,进行了缩尺室内试验与现场碾压试验的对比。试验结果表明:现场碾压试验过程中,由于坝料颗粒粒径更大,易于压实,且压实机械、压实能量等方面与室内试验存在差异,现场碾压试验得到的最大干密度更大,现场碾压试验得到的最大干密度为2.35 g/cm~3,室内试验得到的最大干密度为2.31 g/cm~3,小于现场碾压试验0.04 g/cm~3;现场试验最大干密度峰值对应的P_5含量为80%,室内试验最大干密度峰值对应的P_5含量为70%,随着粗粒料粒径的增加,最大干密度峰值对应的P_5含量有所增加。     

剔除延伸法在砂卵砾石最大干密度试验中的应用

结合三岔河水电站移民安置点防洪堤工程实践,采用逐级剔除粗粒料、对剩余料进行最大干密度试验的方法,得出粗粒土最大干密度与剔除后剩余料百分含量之间存在线性关系,由此延伸求取原级配砂卵砾石料的最大干密度,解决了超粒径材料最大干密度试验困难的难题。     

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。     

分段法确定无粘性超粒径粗粒土最大干密度

将无粘性超径粗粒土的级配分为两部分，即粗粒部分和细粒部分，并将粗粒部分按相似原理缩尺到试验仪器允许的范围，对两部分分别测定其最大干密度，然后按两者的不同含量，从粗颗粒料及细颗粒料的结构性质出发，提出相应的公式，以推求其原型级配的最大干密度。     

基于颗粒堆积算法的堆石料压实密度预测研究

堆石料的压实密度是反映其工程力学特性的重要指标。提出了一种基于降维映射的颗粒堆积算法,仅有一个模型参数即可在给定堆石料级配的情况下实时预测当前级配下的最大干密度。与试验结果对比发现,该算法能够较好预测给定的连续、间断级配堆石料最大干密度,为堆石料级配的高效优化设计提供了新思路。采用该算法模拟了堆石料细料截断和缩尺对堆石料压实密度的影响,结果表明：本算法可以较好地根据缩尺后的结果预测原型级配的堆石料压实密度,但堆石料压实密度的缩尺效应预测存在细料截断误差,误差与细料含量呈正相关;堆石料缩尺后粗料部分骨架的孔隙尺寸降低,有降低压实密度的趋势,而缩尺时增加的细料含量对密度的影响并无统一的规律,而是与粗料和细料的具体粒径分布相关。     

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。     

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。     

阿尔塔什水利枢纽混凝土面板堆石坝筑坝砂砾料相对密度试验及工程应用

依托于阿尔塔什水利枢纽,开展了混凝土面板堆石坝筑坝砂砾料现场和室内的相对密度试验,根据试验结果合理确定筑坝全级配料对应的最大、最小干密度值,为下一步碾压参数的确定提供基础参数,从而确保大坝压实质量达到设计要求。现场试验使用原级配料,最大粒径600 mm,室内试验使用等量替代法制备的模型级配料,最大粒径300 mm。最小干密度采用松填法,最大干密度现场采用振动碾压法,室内采用表面振动法。通过对不同原型级配料和模型级配料的最大干密度以及最小干密度的对比分析,来揭示粗砾含量、替代量与现场和室内试验的最大、最小干密度的特性关系。研究表明,现场试验和室内试验的最大、最小干密度与粗砾含量的规律是相同的,即密度值随粗砾含量增大先增大,随后减小;对于最大干密度,现场试验总比室内试验要大,两者间的差值随模型级配料的替代量增大而增大,主要是由等量替代后缩尺效应引起的;对于最小干密度,现场试验不全都比室内试验大,没有很明显的规律,主要受人工装填的影响。     

粗粒料级配缩尺中相似比例对密度影响的试验研究

针对粗粒料密度研究中变量复杂问题,为探究不同相似比例n值对试验材料密度变化的影响规律,以红石岩堰塞坝料的两条代表性级配为研究对象,在相同的试验条件和参数标准下,分别研究不同变量指标对密度的影响。结果显示:最大干密度和最小干密度均随相似比例n值的增加呈先增加后减小的变化趋势;同时,由于相似比例n值的不同引起了其它级配特征值的变化,材料P5含量在小于30%范围内变化时对最大干密度的影响较为明显,随P5含量的增大呈增大趋势;Cu/Cc对密度的影响与P5相似,下凹型级配中最大干密度和最小干密度随中值粒径d50增大呈先增大后减小,总体趋于减小的变化规律。结果表明:相似比例n值会影响材料之间粗细颗粒的填充关系,对下凹型级配曲线密度产生明显影响,对平均级配曲线影响较小,室内试验时需选择适宜的相似比例。     

颗粒形状及级配对粗颗粒土休止角的影响

为了准确且方便地测量粗颗粒土的休止角,研制了一种基于旋转容器法的粗颗粒土休止角测定仪。利用此装置,对2种粗颗粒土分别进行了15种级配下的休止角试验,并研究了颗粒形状和级配对粗颗粒土休止角的影响。试验结果表明:对于级配相同、颗粒形状不同的粗颗粒土,颗粒呈棱角状砾石料的休止角大于颗粒圆滑的卵石料,不同最大粒径下砾石料的休止角平均值比卵石料高1.3°~2.0°;对于颗粒形状相同、级配不同的粗颗粒土,休止角随最大粒径的增加而增大,最大粒径为20~40 mm时,休止角平均值增长曲线平缓,最大粒径为40~60 mm时,休止角平均值增长速率明显变快;休止角随平均粒径的增大而减小,随不均匀系数的增加而增大。     

某面板堆石坝垫层料和过渡料渗透变形及反滤试验研究

某在建面板堆石坝拟将现场开挖获得的砂砾石料筛除300 mm以上粒径组后作为上坝过渡料,筛除100 mm以上粒径组后作为上坝垫层料。此法获得的垫层料小于5 mm颗粒含量低于设计要求,垫层料与过渡料的级配包络线范围较窄且两者相差不大。由此造成垫层料与过渡料渗透性范围交叉覆盖,存在排水不畅,水力过渡不好组合的可能性。针对以上情况,对天然开挖筛分后垫层料掺入5 mm以下粒径组颗粒,以提高上坝垫层料小于5 mm颗粒含量,使其级配满足设计要求并提高其内部稳定性。掺配后的垫层料在反滤料的保护下,可以承受远超过渗流场计算得到的最大比降。本研究成果及现场工程实践表明,对垫层料掺配一定比例的细料,是类似条件工程中改善垫层区与过渡区水力过渡,提高反滤作用效果的有效途径。     

级配不连续碎砾石粗细颗粒区分粒径比较分析

粗细颗粒区分粒径是级配不连续碎砾石细粒含量判别法判定渗透变形类型重要指标 ,目前通常使用的有定值法的2mm和颗粒级配曲线中平缓段最小粒径(平均粒径),为进一步验证这2个典型方法和量值的符合性、适宜性 ,统计了26个工程121个试样的渗透变形试验结果进行比较.结果表明 :2种方法和量值的渗透变形类型判断结果与试验结果符合率较高 ,分别为85 .5% 和84 .6% ,均可作为粗细颗粒区分粒径 ,但若和级配连续碎砾石渗透变形类型判断综合考虑 ,推荐2mm作为级配不连续碎砾石粗细颗粒区分粒径.     

土石坝工程领域的若干创新与发展

我国高土石坝数量居世界之首,保证高坝大库建设与长期运行安全是国家经济和公共安全保障的重大需求。系统总结了长江科学院近年来在土石坝工程领域的若干创新与发展。提出了基于“旁压模量当量密度法”的粗粒料级配相似理论试验方法;介绍了研发的系列CT三轴仪,实现了粗粒料组构要素的定量测量;提出了三轴试验中加载板与试样之间由滑动摩擦变为滚动摩擦、整体式接触变为分散式接触的减摩新方法,研发了相关减摩装置;研制了大尺寸、高压力、微摩擦、刚柔复合加载的土工真三轴仪;揭示了粗粒料真实三维应力条件下的强度与变形变化规律、湿化与蠕变变形特性;构建了粗粒料三参量非线性K-K-G剪胀模型、六参数湿化模型、九参数蠕变数学模型及相应的参数确定方法;基于当量密度法的原创思想,提出了利用旁压试验间接确定超百米级深厚覆盖层现场密度的试验方法。上述研究成果可为高土石坝工程建设提供重要科技支撑。     

级配特征对筑坝砂砾料填筑标准的影响

筑坝砂砾料填筑标准具有级配相关性,在砂砾料筑坝施工质量控制中,目前仅以含砾量来表征级配对碾压干密度的影响,未考虑级配形状和最大粒径不同对砂砾料填筑标准的影响。为了研究这种影响,评估目前单一依靠含砾量来表征级配特征对干密度影响的合理性,设计了含砾量相同而级配曲线形状和最大粒径不同的两组级配曲线,结合实际施工振动碾压条件,通过现场密度桶法,研究了含砾量相同时不同级配形状特征和最大粒径对原级配筑坝砂砾料填筑标准的影响。研究表明,控制含砾量相同时,级配曲线形状对砂砾料最大、最大小干密度有一定影响,随级配参数m和b的增大,砂砾料的最大、最小干密度均呈现减小的趋势。在含砾量和级配参数m相同时,不同最大粒径级配的砂砾料的最大、最小干密度也有差异。表明不同级配特征和最大粒径对筑坝砂砾料填筑标准的确定有一定影响,建议结合具体工程进一步对级配特征和最大粒径对筑坝填筑标准影响的敏感性及对施工质量控制带来的影响进行评估。     

基于孔隙尺寸的粗粒土渗透系数计算方法研究

基于颗粒极限堆积状态下的平面孔隙直径和土体粒径组成,采用颗粒随机抽样组合获得了土体各孔隙直径百分含量,并进一步得到了土体最密实和最疏松状态下孔隙直径累计分布曲线CSD-D、CSD-L。通过土体实际相对密度的线性内插方式获得了土中孔隙直径累计分布曲线CSD-R,并得到相应平均孔隙直径Dmc,根据粗粒土渗透试验结果建立了渗透系数K与Dmc关系的经验公式。研究表明:CSD-R曲线同时考虑了颗粒级配和密实度对土中孔隙尺寸分布的影响,所确定的经验公式近似满足多孔介质渗流理论中渗透系数与渗流孔隙呈二次正相关性的规律。对比相关试验结果认为,该方法具有较高准确性,适用于不均匀系数Cu7且有效粒径d109.6 mm的粗粒土渗透系数估算。     

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。