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。     

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。     

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。     

级配对堆石-土工格栅界面剪切特性影响试验研究

为研究堆石级配对堆石-土工格栅界面剪切特性的影响,根据Einav提出的堆石级配方程配制5种不同级配的堆石试样,进行了设土工格栅加筋与不设土工格栅加筋堆石的界面直剪试验,分析了最大粒径和分形维数对界面抗剪强度以及加筋系数的影响,并给出了加筋系数与堆石平均粒径d₅₀与土工格栅网孔尺寸之比（粒孔比）的关系。试验结果表明,土工格栅的加筋作用主要取决于堆石颗粒与格栅之间的嵌锁作用。当堆石材料中小于格栅网孔尺寸的粗粒含量较高时,嵌锁作用显著,界面抗剪强度增大。反之,当堆石中大于格栅网孔尺寸的粗粒含量较高时,堆石与格栅间的嵌锁作用减弱,滑动作用增强,界面抗剪强度降低。因此,加筋系数随堆石级配最大粒径的增大而减小,随分形维数的增大而增大。此外,加筋系数随粒孔比的增大呈指数衰减,当粒孔比小于0.22时,加筋系数大于1.0,粒孔比大于0.3后,加筋系数趋于0.8。该试验结果对坝顶土工格栅加筋体结构的设计具有重要的参考价值。     

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。     

不同粒径及级配对碎石料休止角影响的试验研究

为探究不同粒径及级配对碎石料休止角的影响,通过散粒体边坡堆积试验中改进的碎石料休止角测量方法,对不同粒径及级配碎石料休止角进行测量,并结合试验堆积现象进行观察分析。结果表明随均质粒径碎石料粒径的增大,休止角逐渐增大;随不均匀系数的增加,平均粒径对休止角的影响逐渐变小;不均匀系数对休止角的影响呈先增大后趋于稳定;颗粒级配分布愈不均匀,散粒体边坡休止角越大。     

水布垭面板堆石坝坝料工程特性统计分析

针对水布垭面板堆石坝垫层区(ⅡA)、过渡区(ⅢA)、主堆石区(ⅢB)、次堆石区(ⅢC)和下游堆石区(ⅢD)5种坝体填料进行了较为系统的试验研究,试验内容包括颗分试验、击实试验、压缩试验、三轴剪切试验、渗透试验等.试验成果表明:坝料的最大干密度与粗粒含量呈峰值曲线关系,最优含水率与粗粒含量呈直线衰减关系;最大干密度随最优含水率呈线性增大;母岩湿抗压强度越大,压实程度越低,其压缩模量跳跃现象越明显;压缩模量与干密度呈二次曲线增长关系;有效应力内摩擦角与干密度呈线性增大关系;E-B模型参数K随干密度呈明显的线性增长;渗透系数随干密度的增大而减小,粗粒含量越高,减小幅度越突出;粗粒含量越高渗透系数越大,干密度较小时,粗粒含量对渗透系数的影响越明显;大尺寸试样的渗透系数比小尺寸试样大;垂直渗透系数一般大于水平渗透系数.     

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。     

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...     

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。     

不同模型参数对面板堆石坝应力变形的影响研究

为探讨室内三轴压缩试验及大型现场压缩模量试验在研究面板堆石坝坝筑坝材料实际力学特性的科学合理性,结合某100 m级混凝土面板堆石坝工程,分别对各区筑坝材料进行上述两种试验研究,其中对现场压缩试验成果采用基于免疫遗传算法的反演方法计算得到材料的邓肯E-B模型参数,同时整理室内压缩试验成果得到另一组参数。基于以上两组参数,运用三维非线性有限元法进行数值计算。计算结果显示,室内三轴试验过程因为缩尺试验料与实际筑坝料之间较大的颗粒粒径差异,计算得到的坝体及面板变形协调性较差,试验成果难以客观反映材料实际的力学性质,建议加强对缩尺效应及颗粒破碎机理的进一步研究以及直接对原级配筑坝材料试验方法的探索。     

基于PFC的堆石料宏细观参数相关性分析

通过一系列PFC数值试验,对堆石料颗粒细观参数与材料宏观参数之间相关性进行了分析,建立了颗粒摩擦系数f与材料摩擦角φ之间的关系,材料初始弹性模量E_c、泊松比γ与颗粒接触刚度k_n,k_s之间的关系,以及材料单轴抗压强度P_0与颗粒簇内基本颗粒间粘结强度b_n之间的关系。通过对一系列颗粒细观参数与宏观参数之间关系的分析,选定了采用PFC模拟堆石料试验时细观参数的确定方法,并分析了岩土试验中室内试验结果与PFC模拟结果之间的差别及其原因。     

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。     

Packing,compressibility, and crushability of rockfill materials with polydisperse particle size distributions and implications for dam engineering

In rockfill dam engineering, particle breakage of rockfill materials is one of the major factors resulting in dam settlement. In this study, one-dimensional compression tests on a series of coarse granular materials with artificially-graded particle size distributions (PSDs) were carried out. The tests focused on understanding the role of initial PSDs in the dense packing density, compressibility and crushability of coarse granular materials. The effects of fractal dimension (D) and size polydispersity (θ) of PSDs were quantitatively analyzed. Two different loading stages were identified from the logarithms of the stress–strain relationships, with the turning point marked as the yield stress. A similar effect of initial PSDs was observed on the packing density and low-pressure modulus of coarse granular materials. The packing density and low-pressure modulus increased monotonically with θ, and their peak values were attained at a D value of approximately 2.2. However, there was no unique correspondence between the dense packing density and low-pressure modulus. The particle breakage was influenced differently by the initial PSDs, and it decreased with the values of D and θ. The emergence of the unique ultimate state was also identified from both the compression curves and PSDs of the samples after the tests. The potential implications of the test results in the design of both low and high rockfill dams were also demonstrated.     

超高面板堆石坝设计原则探讨

目前超高面板坝比较普遍地出现了面板沿垂直缝挤压破坏、顶部水平弯曲裂缝和水平拉伸裂缝等结构性破坏,为了防止这些事故的发生,探讨提出了超高面板坝设计原则。设计原则主要包括主堆石区压缩模量、主堆石区宽度、主次堆石压缩模量比、水库蓄水计划、设置堆石预沉降时间、分区堆石颗粒级配和面板设计等几个方面。     

不同粒径再生粗骨料混凝土单轴受压应力 －应变关系试验研究

研究了粗骨料粒径对再生混凝土力学性能的影响,为再生混凝土工程中合理选取再生粗骨料粒径及取代率提供参考和依据。以再生粗骨料粒径和取代率为变量,用 5 ～ 20 mm、20 ～ 30 mm 及5 ～ 30 mm 粒径范围内的再生粗骨料制作了不同取代率的二级配再生混凝土试件,利用混凝土单轴抗压的试验方法,分析了不同再生粗骨料粒径以及不同取代率再生混凝土的力学性能。实验结果表明:再生混凝土的弹性模量随取代率的增大而减小; 相同取代率下,再生粗骨料粒径为 5 ～ 30 mm 的二级配再生混凝土的抗压强度比粒径为 5 ～ 20 mm 或 20 ～ 30 mm 的二级配再生混凝土的抗压强度高; 粒径为 20 ～ 30 mm 的再生粗骨料对二级配再生混凝土力学性能的影响最大。再生粗骨料全级配取代,且取代率为 30% 时二级配再生混凝土的抗压强度最大。     

堆石料的压缩模量特性研究

压缩模量作为评价堆石料填筑质量的重要指标,也是大坝变形控制的依据。分析现行压缩模量计算公式存在的问题,通过水布垭室内单轴压缩试验与等应力比三轴试验,建立相同应力路径下考虑泊松比影响的变形模量与压缩模量关系式,并结合水布垭现场荷载板试验与大型压缩试验结果,对变形模量与压缩模量关系进行修正。根据原型大坝的监测沉降量,采用修正后的变形模量与压缩模量的关系式,计算堆石体的压缩模量,更符合实际。     

风化模型在粗粒土颗粒破碎研究中的应用

对古水面板堆石坝玄武岩筑坝粗粒土堆石料进行了颗粒破碎试验。依据试验前后试样的颗粒级配曲线,研究了风化模型参数与颗粒破碎之间的关系。研究结果表明,风化模型能够很好地拟合试验前后土体的颗粒级配曲线,对于大粒径颗粒（大于5 mm）的级配拟合效果远优于分形几何模型;风化模型参数本质上反映了土体颗粒级配曲线与土体最大颗粒粒径线围成面积的大小及其分布状态;相对破碎参量Br是风化模型参数的函数,可以直接通过试验前后土体颗粒级配曲线的风化模型参数求出。