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。     

模拟堆石料颗粒破碎对强度变形的影响

许多试验事实表明,极高压力下颗粒材料粒径极限分布并非 Hardin 所谓的以 0.074 mm 为截断粒径的均匀分布。通过拓展破碎概念提出了 Hardin 破碎指标修正定义,并用以区分剪切过程中破碎的暂时和永久终止状态。 开展了系列模拟 堆石料固结排水大型三轴试验,提出了系列非线性关系用以描述模拟堆石料的级配、破碎指标以及应力–应变–体变响应变化规律。分析表明：随着围压增加,特征粒径减小而级配指标增加,试样级配变化明显;随着围压增加,峰值（或临界）状态破碎指标增加,相应的应力比和内摩擦角则减小,两种状态下破碎指标与内摩擦角具有唯一对应关系;同一剪切过程中,破碎指标变化率、剪胀率和塑性剪切模量具有非同步变化关系,由此形成了颗粒破碎对于模拟堆石料应力变形影响的复杂性。     

堆石料颗粒破碎的分形特性

对伊江上游其培水电站大坝垫层料进行4组高围压大型三轴试验,依据试验前后粒径分布资料,通过建立分形模型,研究堆石料的破碎分形特性.结果表明,试验所用的2种堆石料在颗粒破碎后的粒径分布均有良好的分形特性,破碎分形维数为2.612 7～2.723 2,垫层料下包线的破碎分形维数明显小于垫层料平均线.相同的密度下,随着围压的增加,堆石料破碎分形维数增大,且增大的趋势具有阶段性:当围压较低时,破碎分形维数变化较小;围压升高时,颗粒破碎率增加,破碎分形维数上升的幅度加大.在相同的围压下,破碎分形维数随着密度的增加而增大.破碎分形维数反映了颗粒破碎后粒径的大小,分布的均匀程度,分形维数越大,破碎量越大,并与Marsal颗粒破碎率存在较为显著的线性回归关系.     

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。     

考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态研究

临界状态土力学理论在描述细颗粒土应力变形特性方面较为成功,已经成为建立许多黏土和砂土本构模型的基础。对于堆石料,在应力、密度、级配等因素影响下,其变形特性非常复杂,且高应力条件下颗粒易发生破碎,是否存在"唯一"的临界状态值得探讨。通过对不同级配、不同密度的试样在不同围压条件下的一系列大型三轴剪切试验,研究了堆石料的临界状态及其影响因素。研究发现:不同级配、不同密度、不同初始固结应力条件下,当剪应变较大时试样都趋于临界状态,临界状态的值与初始密度、初始级配、颗粒破碎有关;q–p'平面内,堆石料存在唯一的临界应力比M;在e–(p'/p_a)~ζ平面内,临界状态线基本平行,其截距可以根据初始密度和初始级配直接求得。通过对比分析各试样的临界状态,提出了考虑级配和颗粒破碎影响的堆石料临界状态数学表达式。     

堆石料剪切过程中的颗粒破碎研究

颗粒破碎直接改变堆石料本身结构,影响土体的剪胀、内摩擦角、峰值强度、渗透系数和流变变形。但是,目前对于堆石料在剪切过程中的破碎规律尚不明确。通过室内固结排水三轴试验,研究了古水面板坝玄武岩堆石料在制样、固结和剪切过程中的颗粒破碎规律。研究结果表明:堆石料在制样过程中会产生较为显著的颗粒破碎现象;在等向固结过程几乎不产生颗粒破碎。低围压下,颗粒间的翻越和滑移受围压约束较弱,剪切过程中的颗粒破碎不明显。髙围压下,颗粒间的翻越和滑移受到限制,颗粒间的咬合力显著提高,随着剪切应变的增大,土体颗粒不断发生破碎。在颗粒破碎过程中,大粒径颗粒首先破碎,破碎的颗粒从大粒径逐渐向小粒径扩展。粒径在0.5 mm以下颗粒的含量始终随剪应变的增大而增多,且增长幅度随着围压的增大而增大。土体颗粒破碎同时受围压和剪切变形的影响,相同围压下剪切过程中的相对破碎参量Br和剪应变之间的关系可采用双曲线公式描述。     

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。     

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。     

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。     

人工模拟堆石料颗粒破碎应变的三轴试验研究

高应力作用下堆石料的颗粒破碎严重,其对堆石体变形的影响不可忽视。采用水泥净浆浇筑不同粒径和不同强度椭球颗粒的方法,探讨了一种人工模拟堆石料的制备方法。通过系列的三轴试验研究了不同破碎率情况下模拟堆石料应力变形和破碎体应变的特性。结果表明,试验中相对破碎率同颗粒强度和围压力的相对大小直接相关。颗粒破碎对堆石体的应力应变特性具有十分重要的影响。堆石体的破碎体应变均为正值,且随轴向应变的增加而增大,两者近似呈双曲线关系。破碎体应变和破碎率之间存在近似的幂函数关系。     

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。     

粗粒土强度和变形的级配影响试验研究

开展了不同细粒含量的无黏性和含黏粒粗粒土的共8组大型三轴排水剪切试验,研究了级配对粗粒土强度、变形、剪胀特性和颗粒破碎的影响。试验结果表明细颗粒含量的大小、是否含泥是粗粒土力学特性的重要影响因素;分析了无黏性粗粒土的颗粒破碎率随围压大小、级配的变化;研究了剪切峰值随围压、细颗粒含量的变化规律,讨论了不同围压、不同级配特征情况下粗粒土的剪胀特性。根据含黏粒粗颗粒土的试验结果,分析了含泥量对强度和变形特性的影响,并从机理上分析了细粒含量对无黏性和含黏粒粗粒土的力学特性影响的差异性。试验结果表明对于土石坝工程良好的坝体填筑料级配、严格控制小于0.075 mm颗粒含量,有利于提高坝体的稳定性和减小坝体沉降。     

Effects of particle size and confining pressure on breakage factor of rockfill materials using medium triaxial test

Rockfill dams are mostly constructed using blasted rockfill materials obtained by blasting rocks or alluvial rockfill materials collected from the riverbeds.Behaviors of rockfill materials and their characterization significantly depend on breakage factor observed during triaxial loading.In this paper,two modeled rockfill materials are investigated by using medium triaxial cell.Drained triaxial tests are conducted on various sizes of modeled rockfill materials used in the two dams,and test data are analyzed accordingly.Breakage factor of rockfill material is studied and the effects of particle size and confining pressure on breakage factor are investigated using medium triaxial cell as many researchers have already conducted investigation using large triaxial cell.     

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。