砂砾石垫层料与混凝土面板接触面特性的大型单剪试验研究

采用自主研制的低摩阻叠环式双向静动剪切试验机,考虑面板与垫层间喷涂和不喷涂乳化沥青两种情况,进行混凝土面板与砂砾石垫层料之间的大型剪切试验,研究混凝土面板与垫层料接触面的力学特性,基于Clough和Duncan非线性弹性本构模型整理出接触面模型参数,并探讨了乳化沥青在接触面剪切变形中的作用机制。研究表明:①不喷涂乳化沥青时,接触面应力随着剪切位移的增加逐渐变大,接触面剪应力与位移呈现出很好的双曲线关系。喷涂乳化沥青时,接触面剪应力与剪切位移在峰值强度前呈现出很好的双曲线关系,在峰值强度后,呈现出一定的应变软化特性,法向应力越低,表现越为明显;②两种情况下,随剪切位移的增加,上盒土体变形逐渐发展,并由上到下逐渐增加,最大的相对错动位移均发生在混凝土面板与垫层之间的接触面处,表明接触面的抗剪强度小于砂砾石垫层的抗剪强度;③法向应力对叠环的剪切位移有较大影响,法向应力越大,同一高度处叠环的剪切位移越大;在相同的剪切位移和法向应力作用下,喷涂乳化沥青时叠环水平位移均小于不喷涂时叠环水平位移;④乳化沥青对接触面的力学参数有很大的影响,采用Clough和Duncan非线性弹性本构模型拟合时,与不喷涂乳化沥青时相比,喷涂乳化沥青的接触面其劲度系数、指数及强度指标均有大幅度降低,剪切过程中乳化沥青形成了完整的过渡层来隔离砂砾石垫层料和混凝土面板的直接接触,并起到很好的阻隔–润滑效果。     

土工膜与无砂混凝土垫层界面力学特性分析

在高面板堆石坝工程中,土工膜作为辅助性措施与面板联合防渗结构在工程中应用比较广泛,土工膜与相接触的垫层材料之间的接触剪切力学特性关系到坝体的稳定。本文首先对土工膜界面力学特性试验设备及其试验原理进行了详细的阐述;然后利用该仪器对面、膜联合防渗工程中两种土工膜与无砂透水混凝土垫层材料之间的接触剪切力学特性进行了试验研究,并对不同竖向荷载条件下接触剪切力学特性测试结果做了对比分析;最后通过数据处理并结合理论推导,得到了土工膜在接触剪切作用下的剪切应力-竖向应力关系式。     

土与混凝土接触面大型直剪试验方法研究

土与结构接触面直剪试验是研究接触面力学特性的有效途径,在常规直剪仪的基础上改进了混凝土制备方法,即分别制作混凝土垫块和面块,预埋吊装钢筋,并以三峡库区碎石土为研究对象,开展了一系列不同法向应力和不同初始含水率条件下的碎石土与混凝土室内大型直剪试验,得到了其接触面力学特性的变化规律,试验结果表明该试验方法方便可行,可为土与结构相互作用大型直剪试验研究提供一定的参考。     

土与不同桩侧表面粗糙度接触面剪切试验研究

利用同济大学研制的大型多功能界面剪切仪,对上海地区黏性土与具有不同表面粗糙度混凝土接触面之间相互作用及力学特性进行了试验研究,由此模拟钻孔灌注桩桩侧不同粗糙度条件下侧摩阻力的发挥情况。通过试验研究,得到了接触面相互作用时切向位移与剪切应力之间的关系及其相关参数,发现粗糙度对于接触面上的力学特性有着重要的影响。     

接触面模型对面板与垫层间接触变形及面板应力的影响

对某在建面板堆石坝进行了三维有限元静、动弹塑性计算,分析了接触面模型对面板与垫层间接触面变形及面板应力的影响。面板与垫层接触面分别采用:双曲线(仅静力计算)、理想弹塑性及广义塑性接触面模型。结果表明:竣工期,3种模型计算的面板应力是基本一致的。满蓄期,3种模型计算的面板顺坡向应力分布规律基本一致,但面板坝轴向应力的分布规律和量值有较明显的差别。蓄水时广义塑性接触面模型计算的接触面的应力路径和剪切位移与双曲线和理想弹塑性存在较大的差异。在地震荷载下,理想弹塑性和广义塑性接触面模型计算的地震后坝体残余变形引起的面板顺坡应力基本一致,但面板坝轴向应力差别较大。理想弹塑性模型只有当应力达到峰值时才产生塑性变形,这样会低估接触面的残余变形,不能与坝体残余变形相协调,高估了坝体残余变形对面板应力的影响。广义塑性接触面模型能更好的反映三维条件下接触面的剪胀、剪缩、硬化、软化、循环残余变形及颗粒破碎特性,更符合实际情况。     

高面板堆石坝面板脱空问题的接触力学分析

0　引　　言 yh如何合理地模拟混凝土面板和堆石体这两种变形特性相差较大的材料间的接触特性 ,一直是面板堆石坝有限元应力变形计算中的难点问题之一。目前通常的做法是将混凝土面板和堆石体当作同一连续体的两个不同材料分区 ,在两者之间设置接触面单元 ,常用的代表性的接触面单元主要有Goodman无厚度接触面单元、Desai薄层单元及接触摩擦单元等。上述接触面模型侧重于描述不同材料界面上的力学特性尤其是切向的摩擦特性 ,将它们用于描述不同材料接触界面上的位移不连续现象尤其是发生大规模滑移和脱开的情况时常难以得到合理的计算结果。本文分别将混凝土面板和堆石体当作独立的可变形接触体 ,采用直接约束法和库仑摩     

面板堆石坝挤压式边墙与面板接触面力学特性研究

采用试验方法研究了不同的挤压式边墙表面处理措施对挤压式边墙与面板接触面力学特性的影响规律。针对挤压墙表面的不同措施进行了大型接触面剪切试验,测量了接触面的应力应变关系,分析了主要影响因素。结果表明:采用填料可以减小接触面的峰值剪应力,其中乳化沥青、乳化沥青与砂聚合物、PE膜的效果接近,沥青油毡的减小摩擦效果更为显著。不采用填料或者采用乳化沥青、乳化沥青与砂聚合物、沥青油毡等填料时,接触面的力学特性都表现出类似于理想弹塑性的特性,采用PE膜填料的接触面表现出较明显的应变软化。Clough-Duncan模型能较好地模拟接触面的起始剪切段,但当剪应力较大并接近峰值时模型预测与试验结果表现出一定差距。建议了一个模拟该类接触面主要力学特性的修正理想弹塑性模型,其参数少且易于确定,模型的模拟结果与试验结果也较为符合。     

龙门峡水电站岩体力学试验及参数取值

龙门峡水电站现已蓄水发电,坝基及坝肩主要岩体为白云质灰岩。在预可研阶段和可研阶段对其进行了一系列原位岩体力学试验,包括岩体变形试验、岩体直接试验、岩体与混凝土接触面直剪试验,试验应力与工程实际受力状态相同。全面系统地对3组岩体变形试验、1组岩体直剪试验和1组岩体/混凝土接触面直剪试验成果进行分析研究,充分揭示了坝基工程岩体变形、抗剪等力学特性。从试点的地质代表性、岩石的破坏形态等方面分析了岩体的变形特性、抗剪特性。提出了可供设计采用的工程岩石力学参数建议值。     

抽水蓄能电站斜坡垫层料变形模量值与现场密度关系的试验研究

河北张河湾抽水蓄能电站上水库工程为沥青砼面板堆石坝,是利用山顶开挖筑坝围库而成,采用沥青混凝土面板全库盆防渗。该水库坝坡为1:1.75,沿坡铺筑60cm的级配碎石垫层料,并碾压密实后喷涂乳化沥青保护垫层料区坡面。该文以河北张河湾抽水蓄能电站斜坡施工现场碾压试验为例,对斜坡垫层的物理性能及室内压缩模量、原位变形模量试验与现场密度试验关系成果进行分析和总结。     

茨哈峡水电站垫层料与过渡料联合抗渗试验研究

对于天然砂砾石料作为筑坝料的超高混凝土面板堆石坝工程,其坝体各分区料联合抗渗稳定性对坝体安全性十分重要。研究采用自主研制的高水头大型渗透试验设备,对茨哈峡水电站原级配砂砾石填筑料的垫层料与过渡料进行联合抗渗试验;监测各分区填筑料的渗流特性演变过程,总结了垫层料与过渡料筑坝料联合抗渗试验的演变基本规律,验证过渡料对垫层料的反滤保护作用,为茨哈峡水电站坝体填筑料的级配设计优化、渗透稳定安全性的论证提供了数据参考。     

面板堆石坝新型结构离心模型试验研究

采用离心模型试验技术探讨在覆盖层上增加盖板后坝体的变形特征。共进行三组离心模型试验,分别研究增加盖板及不同覆盖层类型对坝体变形的影响,以及防渗墙在坝体蓄水前后的变形规律。研究表明:在覆盖层上设置盖板可以减小坝体沉降,同时减小坝体不均匀沉降;不同覆盖层类型增加盖板后盖板弯矩分布规律一致,但软弱覆盖层上盖板弯矩变化幅度较大;增加盖板后优化了防渗墙的弯矩,离心模型试验揭示了面板堆石坝新型结构的变形和应力分布规律,为深厚覆盖层上面板堆石坝新型结构的研究与设计提供依据。     

中国混凝土面板堆石坝的技术进步

首先阐述了中国20余年来混凝土面板堆石坝的发展概况,简要说明了已建和在建的94座坝高100 m以上的高混凝土面板堆石坝的主要技术特征和自主创新,包括上下游坝坡、面板厚度、宽度和配筋率、趾板宽度、坝体分区、筑坝材料、填筑标准、接缝止水和工程用途。展示了中国在国际混凝土面板堆石坝工程领域的领先地位。接着阐述中国混凝土面板堆石坝筑坝技术所取得的进展,分别阐述了设计技术、施工和监测技术、筑坝材料（软岩和砂砾石）和防渗结构（面板和止水）关键技术,不利自然条件下（狭窄河谷、高陡岸坡、深覆盖层、地震区和高寒区）的筑坝关键技术以及计算和试验研究等方面的技术进步和创新,最后简述了未来超高面板堆石坝的挑战和展望。     

红层泥岩桩岩接触面本构模型试验及数值模拟

桩岩(土)接触面力学特性的研究是桩基承载机理研究的基础。通过红层泥岩桩岩接触面大型直剪试验,研究了红层泥岩桩岩接触面的力学特性,结果表明:接触面剪应力先随剪切位移增大而增大,在达到峰值后,剪应力随着剪切位移增大而降低,并最终趋于稳定值,应力应变曲线呈现出应变软化的特征。根据剪切试验结果,推导出桩岩接触面应变软化本构方程。利用fish语言对FLAC3D中自带的理想弹塑性接触单元进行二次开发,并应用开发的模型对桩岩接触面直剪试验进行了数值模拟,分析剪应力与剪切位移之间的关系,证明了该本构能够较好地模拟接触面间的应变软化特性。     

300m级超高面板堆石坝变形规律的研究

采用三维有限元数值分析方法研究了300m级超高混凝土面板堆石坝的变形规律。指出坝体分区、筑坝材料特性特别是流变特性是影响超高面板堆石坝变形性状的主要因素,要重视超高面板堆石坝上游部分坝体变形的鼓肚现象。建议了合理选择筑坝材料,适当提高下游堆石区填筑标准、全断面均衡填筑、上部1/3左右坝体采用变形模量较高的坝料,待坝体变形基本趋于稳定才浇筑面板以及考虑设置面板永久水平缝等工程措施来改善超高面板堆石坝的应力变形性状。     

岩坡开挖形态对贴坡型堆石坝变形与应力的影响

 为充分利用地形优势并减少坝基开挖量,将混凝土面板堆石坝建于条形山脊上,依天然坡面分别贴岩坡填筑堆石料,使原山体成为坝体一部分,形成贴坡型混凝土面板堆石坝。贴坡型堆石坝在岩坡与堆石料接触部位易产生应力集中,以及下游坝体位移相对较大,易导致下游坝体整体滑动,影响大坝的安全。采用下游岩坡开挖成阶梯形态来改善坝体下游的应力与变形性状,并用有限元法数值分析对坝体下游阶梯型岩坡与直线型岩坡的应力与变形性状进行分析比较。论证坝体下游开挖成阶梯型岩坡替代直线型岩坡的技术合理性,建议贴坡型混凝土面板堆石坝采用下游岩坡开挖成阶梯型更为有利;同时探讨坝体下游坝坡采用阶梯开挖时坡角对坝体应力与变形的影响。     

Large scale direct shear tests of soil/PET-yarn geogrid interfaces

The interface shear strength of soil against geosynthetic is of great interest among the researchers in geosynthetic properties. This study conducts a series of large scale direct shear tests to investigate the interface shear strength of different soils (sand, gravel, and laterite) against PET-yarn geogrids of various tensile strengths, percent open area, and aperture patterns. First, the appropriateness of different set-ups of a lower shearing box is examined in this study. It reveals that a lower box which is filled with the test soil and is of the same size as the upper box is more suitable for testing the soil/geogrid interface. The test results show that the soil/PET-yarn geotextile interface has significantly lower shear strength than soil strength. The ratio of shear strength soil/PET-yarn geotextile interface to internal shear strength of soil is about 0.7–0.8 for Ottawa sand and for laterite, and it is about 0.85–0.95 for gravel. On the other hand, the soil/geogrid interface has higher shear strength. The ratio of shear strength soil/PET-yarn geogrid interface to internal shear strength of soil is about 0.9–1.05. It is found that the shear strength ratio of soil/PET-yarn geogrid interface is positively correlated to the transverse tensile strength of the PET-yarn geogrid. However, it is negatively correlated with the aperture length and percent open area of the PET-yarn geogrid. The interface shear test results of PET-yarn geogrid against different soils are compared with the test results predicted by a classical model for analyzing the applicability of the classical model. Further, a simple model is proposed herein to estimate the bearing resistance provided by the transverse ribs of geogrid. It shows this component to be about 0–15% when PET-yarn geogrid is against Ottawa sand or laterite, while it is smaller when the PET-yarn geogrid is against gravel.     

Monotonic and Cyclic Tests of Interface between Structure and Gravelly Soil

Monotonic and cyclic behavior of the interface between a structure and gravelly soil was investigated using systematical tests. A series of monotonic and cyclic tests of the interface between a steel plate and gravel were conducted using a large-scale test apparatus through varying gravel types, surface roughnesses of steel plates, normal boundary conditions, magnitudes of normal stress and displacement amplitudes. Microscopic movements and crushing process of soil particles were measured coupled with macroscopic stress-displacement relationship response. Based on the results, it is concluded that monotonic and cyclic behavior of the interface between a structure and gravelly soil is significantly different from that of gravelly soil itself. Main behaviors of the interface includes: (1) shear strength is proportional to normal stress; (2) the interface between a steel plate and gravel exhibits insignificant strain softening; (3) normal displacement accumulates and the accumulation rate decreases with increasing shear cycles, but varies in well-regulated manner within a single shear cycle; (4) shear deformation is composed of indispensable slippage component on the contact surface and soil deformation component constrained by the structure nearby while the latter mainly contributes to volumetric change due to dilatancy; (5) mechanical response is dependent on shear direction due to cyclic shear application after an initial shear application; (6) evolution of stress-displacement relationship response are governed by the evolution of physical state including particle crushing and soil compression due to shear application; (7) main factors influencing on behavior include surface roughness of the structure, characteristics of the soil and magnitude of normal stress.     

高混凝土面板堆石坝设计理念探讨

在分析天生桥一级和阿瓜密尔帕两座200 m级高混凝土面板堆石坝出现工程问题的原因的基础上,指出目前坝体分区设计原则的不完全性,提出了面板堆石坝坝体分区设计新理念,即坝体分区设计除了遵循料源决定原则,水力过渡原则和开挖料利用原则以外,更要重视变形协调原则,提出了实现变形协调的4个途径,来确保高混凝土面板堆石坝的应力变形性状良好与大坝安全。     

土石坝沥青混凝土心墙三轴力学特性研究

在三峡水利枢纽茅坪溪土石坝沥青混凝土心墙材料大量的三轴试验成果的基础上，对沥青混凝土的应力-应变特性关系及其力学特性进行研究。由试验结果可知，沥青混凝土的应力-应变关系曲线是由应变硬化和软化2个阶段组成的，为有驼峰的曲线。在剪切过程中，既有剪缩又有剪胀。另外，沥青混凝土的破坏准则也并非符合莫尔-库仑破坏准则。抗剪强度包络线随着侧压力的增加而呈非线形变化，在高罔压作用下，强度包络线向下弯曲。基于以上原因，提出用南水非线性模型来描述沥青混凝土材料的应力-应变特性关系，并将其与邓肯-张模型进行对比。从对比结果可以看出，南水非线性模型能更好地描述沥青混凝土的力学特性。